Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a repris du service, mais il a rapidement été coupé dans son élan à cause d’une hausse de la pression et du déclenchement (non prévu) de trois « disques de rupture ». Rien de catastrophique, les opérations devraient reprendre aux alentours d’ici deux semaines environ.

Le LHC a terminé son deuxième long arrêt technique cette année, avec un retour à la science pour les expériences installées en périphérie du Grand collisionneur de hadrons. C’est une étape importante puisque depuis fin 2018 la machine subissait des travaux d’améliorations. Trois ans plus tard, la remise en route et les vérifications des équipements prennent du temps. L’équipe Opérations a ainsi récupéré symboliquement les clés du LHC en mars 2021, soit il y a 18 mois déjà.

En avril, « deux faisceaux de protons ont circulé en sens opposés le long de l'anneau de 27 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons », mais avec une énergie de 0,450 TeV seulement, loin des 13,6 TeV que le LHC doit être capable de tenir lors d’une collision (de deux faisceaux à 6,8 TeV).

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Les choses sérieuses ont débuté en juillet : « après une période intense de remise en service avec faisceau, de premières collisions avec détecteurs en fonctionnement ont eu lieu le lendemain de la célébration du 10e anniversaire de la découverte du boson de Higgs [c’était le 4 juillet 2022, ndlr] », explique le CERN. 

De 72 à 2 413 paquets par faisceaux

Le retour des faisceaux dans l’anneau de 26 km de circonférence se fait progressivement, avec une augmentation du nombre de paquets. En pleine période d’exploitation, le Grand collisionneur est capable de monter à plus de 2 500 paquets par faisceau, chacun avec environ 100 milliards de protons. Le LHC produit pas moins d’un milliard de collisions par seconde.

Avant d’en arriver là, la remise en route se fait progressivement, avec une montée en intensité : « Chaque année, on procède avec soin à une augmentation progressive du nombre de paquets par faisceau […] Cette année, le LHC est passé en l'espace de cinq semaines et demie par les étapes de 72, 315, 603, 987, 1 227, 1 551, 1 935, 2 173 et enfin 2 413 paquets par faisceau ».

Le 29 juillet il y avait ainsi 1 227 paquets et presque le double (2 440) seulement deux semaines plus tard (12 aout). « Tout s'est bien déroulé, malgré quelques complications, comme toujours », ajoute le CERN.

Des UFO dans l’accélérateur

La remise en route est toujours délicate, le CERN en a déjà fait les frais après le premier long arrêt technique. Une des causes est baptisée UFO, ou « objets volants non identifiés ». Il s’agit de particules en suspension qui « trainent » sur la trajectoire das faisceaux dans l’accélérateur. En 2017, des « particules de poussière d’environ dix micromètres de diamètre » étaient ainsi venues jouer les trouble-fête par exemple.

Cette année, les UFO étaient de nouveau au rendez-vous, mais « heureusement, les choses sont rapidement rentrées dans l'ordre et le nombre d'événements, initialement élevé, s'est réduit ». Ces objets volants non identifiés restent présents et occasionnent parfois des arrêts prématurés des faisceaux, mais ne sont «  plus un handicap ». 

Des performances « fantastiques »

Quoi qu’il en soit, le CERN semble plus que satisfait : « La performance en luminosité a été tout simplement fantastique. À la suite des améliorations apportées par le programme LIU, les injecteurs fournissent un faisceau de haute qualité ».

Le LIU, ou projet d'amélioration des injecteurs du LHC, a pour rappel été lancé en 2015 avec pour but de préparer le Grand collisionneur à la fourniture de faisceaux haute brillance, en prévision du LHC à haute luminosité qui arrivera après le prochain long arrêt technique dans quelques années. 

Le CERN précise que son équipe Opérations « travaille encore aux alentours de la densité en paquets nominale, mais il sera possible d'aller encore nettement plus loin ».

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Paf, trois « disques de rupture » ont lâché

Au 23 août, « les taux de production ont été bons, et quelque 11 fb⁻¹ avaient été livrés à ATLAS ». Le femtobarn inverse – ou fb⁻¹ – quantifie pour rappel le nombre de collisions. Un fb⁻¹ « correspond à environ 100 millions de millions de collisions potentielles ». Plus le nombre de fb⁻¹ est élevé, mieux c‘est.

À titre de comparaison sur l’ensemble du premier run (3 ans environ) le LHC était à 30 fb⁻¹. Le chiffre grimpe en flèche au second run avec 160 fb⁻¹. 400 fb⁻¹ sont attendus pour ce troisième run, puis 1 500 fb⁻¹ pour le quatrième et 3 000 fb⁻¹ pour le cinquième.

Un problème de « contrôle-commande d'une tour de refroidissement » est survenu le 23 août, rendant « temporairement mis hors d'usage la cryogénie du point 4 ». On vous passe les éléments techniques, mais pour simplifier une suite d’événements conduit a une augmention de la pression dans des modules. Ces derniers comportent des soupapes de sécurité et des « disques de rupture » si la pression devenait trop forte. 

« Les soupapes se sont ouvertes normalement. Malheureusement, une petite surpression, pourtant inférieure au niveau de déclenchement des disques de rupture, a déclenché l'ouverture de trois de ces disques (sur un total de seize) », explique le CERN.

Hasard du calendrier (ou pas), un groupe d’étude était déjà en place pour un problème similaire arrivée cette année. « Des mesures appropriées ont déjà été planifiées pour le prochain arrêt technique de fin d'année », sans plus de précision.

Retour des faisceaux aux alentours du 17 septembre

Cette rupture des disques n’est pas la fin du monde, et heureusement. Cela « fait pénétrer de l'air dans les modules, et 10 jours sont alors nécessaires pour réchauffer les cavités et évacuer toute l’humidité ; celles-ci doivent ensuite être refroidies et reconditionnées […] La fin de la période de remise en état coïncidant avec un arrêt technique planifié de cinq jours, nous espérons avoir de nouveau une machine avec faisceau aux alentours du 17 septembre ».

Quoi qu’il en soit, le CERN reste optimiste : « Malgré cet incident, la performance du LHC, et, plus largement, de tout le complexe d'accélérateurs est très encourageante et augure bien de la troisième période d'exploitation, qui promet d'être fructueuse ».