PSB Finemet structure with installed cavities - B361 - Booster Accelerator
PSB Finemet structure with installed cavities (Image: CERN)
Cette animation montre le parcours des protons à travers le complexe d'accélérateurs du CERN jusqu'au Grand collisionneur de hadrons (LHC) (Video : CERN)

Le complexe d’accélérateurs du CERN consiste en une succession de machines qui accélèrent les particules à des énergies croissantes. Chaque machine augmente l’énergie d’un faisceau de particules avant de l’injecter dans la machine suivante. Dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le dernier élément de la chaîne, chaque faisceau de particules est ainsi porté à l’énergie record de 6,5 TeV.

En 2020, l'accélérateur linéaire 4 (Linac 4) est devenu la source de faisceaux de protons du complexe. Le Linac 4 porte des ions d'hydrogène négatifs (ions H-, soit un atome d'hydrogène et un électron supplémentaire) à l’énergie de 160 MeV pour les préparer à être injectés dans le Booster du Synchrotron à protons (PSB). Au moment de leur injection dans le PSB, les ions sont débarrassés de leurs deux électrons, de sorte que ne subsistent que les protons. Ces derniers sont accélérés jusqu’à atteindre une énergie de 2 GeV avant d'être injectés dans le Synchrotron à protons (PS), qui accélère encore le faisceau pour le porter à 26 GeV. Puis les protons sont envoyés dans le Supersynchrotron à protons (SPS), où ils atteignent 450 GeV.

Enfin, les protons sont envoyés dans les deux tubes de faisceau du LHC. Le faisceau circule dans le sens des aiguilles d’une montre dans le premier tube, et dans le sens inverse dans le deuxième. Il faut 4 minutes et 20 secondes pour remplir chacun des deux anneaux du LHC, et 20 minutes pour que les protons atteignent leur énergie maximale de 6,5 TeV. En conditions d’exploitation normales, les faisceaux circulent pendant plusieurs heures dans les tubes du LHC. Les deux faisceaux entrent en collision à l’intérieur de quatre détecteurs – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb ; au point de collision, l’énergie totale est de 13 TeV.

Le LHC n’accélère pas que des protons. Les ions plomb du LHC sont issus d’une source de plomb vaporisé et passent par le Linac 3 avant d’être collectés et accélérés dans l'Anneau d’ions de basse énergie (LEIR). Ensuite, les ions suivent le même parcours que les protons pour être portés à l’énergie maximale.

 

Un programme expérimental diversifié

Le complexe d’accélérateurs n'est pas réservé à l'usage unique du LHC, mais sert également à mener un programme expérimental riche et varié. La plupart des autres accélérateurs de la chaîne disposent de leur propre hall d’expérimentation, dans lequel les faisceaux sont utilisés pour des expériences réalisées à des énergies plus basses.

Le PSB fournit des faisceaux de protons à l'installation ISOLDE (Isotope Separator On Line Device), y compris à HIE-ISOLDE, ainsi qu'à l'installation MEDICIS.

Le PS alimente le Décélérateur d'antiprotons, l'installation de mesure du temps de vol des neutrons (n_TOF), ainsi qu'une zone d'expérimentation appelée Zone Est, qui héberge les expériences CLOUD, IRRAD et CHARM.

Le SPS fournit des faisceaux aux expériences COMPASS, NA61/SHINE, NA62, NA63, NA64 et UA9 de la Zone Nord, ainsi qu'à la plateforme neutrino du CERN, à l'expérience AWAKE et à l'installation HiRadMat

Le LHC, enfin, dessert quatre grandes expériences  – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb, et quatre plus petites – TOTEM, LHCf, MoEDAL et FASER.

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Le LHC est le dernier maillon (ligne bleu foncé) d'une chaîne complexe d'accélérateurs de particules. Les machines plus petites sont utilisées successivement afin d'accélérer les particules jusqu'à leur énergie finale et de fournir des faisceaux à toute une série d'expériences plus petites, qui visent également à percer les mystères de l'Univers. (Image : CERN)

Le Centre de contrôle

Le Centre de contrôle du CERN comprend les salles de contrôle des accélérateurs du Laboratoire, du système de distribution cryogénique et de l'infrastructure technique. Il compte 39 stations de travail pour quatre zones différentes : le LHC, le SPS, le PS et l’infrastructure technique.

Explorez le Centre de contrôle du CERN avec Google Street View (Image : Google Street View)