Un nouvel instrument de diagnostic de faisceau développé par des chercheurs du groupe QUASAR de l'Université de Liverpool a été approuvé pour être utilisé dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur de particules le plus puissant au monde.
Le nouvel appareil, connu sous le nom de moniteur Beam Gas Curtain (BGC), relève l'un des défis les plus difficiles de la physique moderne des accélérateurs : mesurer les propriétés des faisceaux de particules de très haute énergie sans les perturber.
Il est désormais autorisé à fonctionner en continu (~ 2 000 heures par an).
Le moniteur BGC a été conçu, développé et affiné sur une décennie au sein du groupe QUASAR, qui fait partie du département de physique de l'université et de l'institut Cockcroft.
Le professeur Carsten P. Welsch, directeur du groupe QUASAR, a dirigé le développement de la technologie pendant près de 20 ans.
Il a déclaré : « Il s'agit d'une formidable réussite pour notre collaboration. Voir un dispositif qui a commencé comme un concept exploré par plusieurs générations de nos étudiants en doctorat et fonctionner aujourd'hui au cœur du LHC est véritablement inspirant. Cela démontre la puissance de l'innovation, du travail d'équipe et de la persévérance à long terme. »
Comment fonctionne le rideau de gaz à faisceau
Dans un article publié dans Recherche sur l'examen physiquel'équipe de Liverpool et ses collaborateurs du GSI et du CERN rapportent les toutes premières mesures non invasives de l'émittance du faisceau en cycle complet au LHC à l'aide de la technique du rideau de gaz du faisceau.
L’instrument fonctionne en créant une feuille supersonique ultra-mince de gaz néon – un « rideau » – qui interagit avec le faisceau de protons ou d’ions plomb en circulation. Les faibles éclairs de lumière fluorescente qui en résultent sont capturés par un système optique sophistiqué, révélant des informations précises sur la taille et la qualité du faisceau tout au long du cycle d'accélération complet.
Contrairement aux instruments existants qui nécessitent un temps d'étalonnage dédié ou interrompent le fonctionnement normal, le BGC peut surveiller en permanence le profil du faisceau et l'émittance depuis l'injection à 450 GeV jusqu'à l'énergie maximale du LHC de 6,8 TeV, pendant que les expériences de physique sont en cours.
Tests, intégration et impact futur
Le système a été testé de manière approfondie à l'Institut Cockcroft avant son installation au CERN. Ses performances ont dépassé les attentes, fournissant des mesures non invasives de haute précision pour les faisceaux de protons et d'ions lourds.
Le document de recherche Physical Review montre que les résultats concordent étroitement avec les diagnostics indépendants du LHC tels que le télescope à rayonnement synchrotron à faisceau et les balayages d'émittance des expériences ATLAS et CMS.
« Le fait que notre moniteur soit désormais entièrement intégré aux opérations quotidiennes du LHC est un véritable moment d'émerveillement », a déclaré le Dr Hao Zhang, chef adjoint du groupe QUASAR. « C'est l'aboutissement d'années de développement, depuis les études de compatibilité sous vide et la conception optique jusqu'à l'intégration logicielle et la mise en service sur site. »
Le BGC étant désormais approuvé comme élément permanent de l'instrumentation à faisceau du LHC, il ouvre la voie à des systèmes similaires dans d'autres installations de recherche majeures, notamment la source européenne de spallation en Suède, le collisionneur électron-ion aux États-Unis, et même des applications d'accélérateurs médicaux.
« Cette réalisation montre comment l'innovation universitaire peut directement façonner les outils qui permettent aux plus grands instruments scientifiques du monde de fonctionner », a ajouté le professeur Welsch. « C'est un moment de grande fierté pour Liverpool et pour tous les étudiants et chercheurs qui ont contribué à ce parcours remarquable. »
