Espace & Particules (2/2019)

Deux nouveaux puits pour le LHC à haute luminosité

Neuf mois après le début des travaux, l’excavation des deux nouveaux puits pour le LHC à haute luminosité du CERN est terminée. Sur le site de l’expérience CMS à Cessy, un puits de 60 m de profondeur et de 11 m de diamètre a été entièrement creusé peu avant la fin 2018. Sur le site de l’expérience ATLAS à Meyrin, le puits de 62 m vient juste d’être excavé et les équipes installent un anneau de béton à sa base. Cette première phase des travaux souterrains étant terminée, les entreprises débutent le creusement des halles souterraines de 50 m de long, 17 m de large et 17 m de haut. Ces travaux devraient durer environ quatre mois. Plusieurs galeries seront ensuite réalisées sur chaque site: l’une de 300 m pour abriter des équipements et quatre de 50 m pour relier les nouveaux ouvrages au tunnel du LHC.

 

Un nouvel accélérateur au service du patrimoine culturel

Les accélérateurs de particules trouvent plusieurs applications au-delà de la recherche en physique fondamentale. Après un premier accélérateur miniature développé pour un injecteur compact en protonthérapie, le CERN construit, en collaboration avec l’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), dont le siège se trouve à Rome, un nouvel accélérateur haute fréquence transportable, pour l’étude d’œuvres d’art.

Ce nouvel appareil repose sur la technique d’émission de rayons x créés à partir de protons, ou PIXE (proton-induced X-ray emission). Dans le cadre de ce projet, le CERN travaille, depuis la mi-2017, à la construction d’un nouveau quadripôle radiofréquence (RFQ). Une dynamique de faisceau innovante a été développée, afin que le quadripôle radiofréquence PIXE-RFQ soit plus compact et consomme moins d’électricité. Il a ainsi été possible de réaliser un accélérateur de protons d’un mètre de longueur, capable de fournir un faisceau de 2 MeV avec une consommation d’électricité inférieure à 6 kVA.

L’étude d’objets appartenant au patrimoine culturel nécessite l’utilisation d’une technique d’analyse in situ non destructive. Un accélérateur transportable utilisant la technique PIXE offre un moyen unique de s’affranchir des limites liées à la méthode par fluorescence x couramment utilisée. La technique PIXE présente une meilleure sensibilité, fournit des informations par couches en utilisant différentes énergies de protons, et est capable d’exploiter d’autres réactions, telles que les émissions gamma ou la rétrodiffusion de particules.

L’Istituto nazionale di fisica nucleare, et en particulier le «Cultural Heritage Network» (CHNet), ont plus de 35 ans d’expérience dans l’analyse des objets du patrimoine culturel au moyen d’accélérateurs. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Opificio delle Pietre Dure (OPD) de Florence, des œuvres d’art de Léonard de Vinci, Antonello de Messine, Vasari et Mantegna, notamment, ont été étudiées. Grâce à la collaboration avec l’INFN-CHNet, la technologie des accélérateurs de protons compacts développée au CERN peut être optimisée et utilisée pour des projets du patrimoine culturel.

En décembre dernier, le quadripôle radiofréquence PIXE-RFQ a franchi un cap important. Après une année et demie d’usinage de haute précision et de métrologie dans les ateliers du CERN, les quatre pôles du premier des deux modules ont été assemblés par brasage sous vide.

La modulation au niveau des pôles permet l’accélération des particules; l’extrémité des pôles doit être usinée avec une précision de 10 µm. Le brasage sous vide est la meilleure technique pour cet assemblage; grâce à une procédure élaborée initialement pour le quadripôle radiofréquence de l’accélérateur linéaire du CERN Linac4, le processus est arrivé à maturité. Durant un cycle de chauffage contrôlé, sous vide, les fils d’un alliage d’argent et de cuivre fondent et ce liquide s’écoule entre les pièces. Des ressorts sont utilisés pour l’alignement durant la phase de chauffage. Après refroidissement et solidification, un joint parfait est ainsi créé entre les pièces de cuivre.

La construction du nouvel accélérateur n’est pas encore achevée, mais le projet MACHINA/PIXE-RFQ est en bonne voie. Des premiers tests avec faisceau sont prévus pour la fin 2019 et une première analyse d’un objet d’art réel à l’Opificio delle Pietre Dure doit être réalisée en 2020. La construction du quadripôle radiofréquence PIXE-RFQ est entièrement prise en charge par le Fonds KT du CERN, avec des contributions des groupes EN/MME et BE/RF.

De nouvelles expériences sur la gravité

Nous l’avons appris à l’école: si on lâche deux objets de masses différentes et que ceux-ci ne subissent aucune force de frottement, ils vont tomber à la même vitesse, en raison de la gravité terrestre. En revanche, nous ne savons pas si l’antimatière tombe à la même vitesse que la matière ordinaire, ou si elle se comporte différemment. La raison en est simple: aucune expérience ne l’a mesuré directement. Toutefois, deux nouvelles expériences du CERN, ALPHA-g et GBAR, vont commencer leur exploration en vue de répondre à cette question.

L’expérience ALPHA-g ressemble beaucoup à l’expérience ALPHA, qui produit des atomes d’antihydrogène neutres en recueillant des antiprotons du Décélérateur d’antiprotons (AD) et en les liant à des positons provenant d’une source d’un isotope du sodium, Na-22. ALPHA confine alors dans un piège magnétique, les atomes d’hydrogène neutres ainsi créés, et projette sur eux une lumière laser ou des micro-ondes afin de mesurer leur structure interne.

L’expérience ALPHA-g fonctionne avec un dispositif du même type, pour créer et piéger les antiatomes, mais celui-ci est orienté verticalement. Du fait de cette disposition, les scientifiques peuvent mesurer précisément dans quelles positions verticales les atomes d’antihydrogène s’annihilent avec la matière ordinaire, une fois que le champ magnétique du piège est arrêté et que ceux-ci se retrouvent uniquement sous l’influence de la gravité. Les valeurs correspondant à ces positions leur permettront de mesurer l’effet de la gravité sur les antiatomes.

L’expérience GBAR utilise une technique différente. Elle prévoit d’utiliser des antiprotons fournis par l’anneau de décélération ELENA et des positons produits par un petit accélérateur linéaire, afin de créer des ions antihydrogène, composés d’un antiproton et de deux positons.

Si l’on découvre des différences entre le comportement de l’antimatière et celui de la matière sous l’effet de la gravité, cela pourrait nous orienter vers une théorie quantique de la gravité, et peut-être faire la lumière sur la raison pour laquelle l’Univers semble être composé de matière et non pas d’antimatière.