Un hiver cryogénique pour l’accélérateur de demain

Derrière chaque collision de particules produite Grand collisionneur de hadrons se cachent une multitude de prouesses techniques. L'une d'entre elles est la maîtrise du froid, à une échelle industrielle. Pour guider les particules, les milliers d'aimants supraconducteurs de l'accélérateur doivent en effet être refroidis à une température qui frise le zéro absolu. Le LHC est ainsi la plus grande installation cryogénique du monde : 23 des 27 kilomètres de l'accélérateur sont maintenus à 1,9 kelvin (-271 °C) à l'aide de réfrigérateurs dans lesquels circule de l'hélium superfluide.

Ce système unique doit encore être renforcé pour faire fonctionner le LHC à haute luminosité (HL-LHC), amélioration majeure du LHC dont la mise en service est prévue en 2030. De part et d'autre des deux grandes expériences ATLAS et CMS, des aimants de focalisation plus puissants et des cavités d'un genre nouveau permettront d'augmenter considérablement le nombre de collisions à chaque croisement de faisceau, autrement dit la luminosité. Ces équipements ultra sophistiqués requièrent une puissance de refroidissement accrue. Deux réfrigérateurs sont donc en cours d'installation, en plus des huit actuels nécessaires à l'accélérateur.

Les réfrigérateurs du LHC fonctionnent selon le même principe que celui de votre cuisine, sauf que ce sont des installations gigantesques, qui occupent plusieurs bâtiments. Ils comprennent d'imposants compresseurs et une immense boîte froide, qui abrite les échangeurs de chaleur et les turbines de détente. Ces installations de surface abaissent la température de l'hélium jusqu'à 4,5 kelvins (-268,6 °C). Six unités de compression ont déjà été installées en octobre dernier. La semaine passée, les grandes manœuvres se sont poursuivies avec la mise en place de deux imposantes boîtes froides sur les sites d'ATLAS et de CMS. Ces cylindres de 16 mètres de long et 3,5 mètres de diamètre, fabriqués en Allemagne par la société Linde, ont voyagé en barge sur le Danube, le Main, puis le Rhin, avant d'emprunter la route à Bâle pour rejoindre le CERN.

Les travaux vont se poursuivre tout au long de l'année prochaine pour connecter tous les éléments et mettre en place les systèmes de contrôle. Parallèlement, les équipes installent les lignes cryogéniques dans lesquels l'hélium circule depuis la surface jusqu'aux installations souterraines. En février prochain, deux boîtes froides, moins imposantes toutefois, seront installées en souterrain. Ces boîtes froides permettent de gagner les derniers degrés pour atteindre les 1,9 kelvin (-271 °C).

Fin 2026, les nouvelles installations cryogéniques pourront être testées avec des systèmes de chauffage qui simuleront la charge thermique des aimants, des cavités, du système d'alimentation électrique froide et des autres équipements nécessitant un refroidissement.