Dans la physique des hautes énergies moderne, les collisionneurs circulaires sont les outils les plus importants pour l’exploration des plus grandes échelles de masse et des plus petites échelles d’espace. L’un des éléments essentiels d’un accélérateur circulaire est son système magnétique, qui se compose d’un grand nombre d’aimants de différentes sortes : des dipôles et des quadripôles, pour guider et diriger les faisceaux de particules, et des aimants d’ordre élevé, pour focaliser les faisceaux, et ainsi augmenter le nombre de collisions, et, par conséquent, les données collectées par les expériences.

FCC-ee 

Un collisionneur circulaire de leptons de haute luminosité tel que le FCC-ee comptera plus de 9 000 aimants chargés de diriger et de focaliser les deux faisceaux, et ainsi d’amener les luminosités requises aux points de collision où seront situées les expériences. Le FCC-ee est formé des dipôles principaux, qui courbent la trajectoire des particules dans le plan de la machine, et de quadripôles, qui ramènent les particules vers l'orbite centrale, tout au long des 100 km de circonférence. En outre, de nombreux aimants d'ordre supérieur (p. ex. sextupôles, octupôles, etc.) serviront à focaliser les faisceaux avant le point d'interaction.

IMAGE SUPÉRIEURE : PREMIER PROTOTYPE D'UN DIPÔLE POUR UN FUTUR COLLISIONNEUR DE LEPTONS (FCC-EE). IMAGE INFÉRIEURE : QUADRIPÔLE DE TEST DU FCC-EE INSTALLÉ SUR UN BANC DE MESURE MAGNÉTIQUE AU CERN. (CRÉDITS PHOTOS : CERN)

L’idée est de concevoir un système à haute performance le plus simple possible (en termes d'éléments magnétiques) en utilisant les techniques les plus avancées. Une innovation majeure, par rapport au LEP, serait l’utilisation d’aimants à double ouverture, qui permettrait de réduire de moitié le nombre d'aimants et de diminuer la consommation électrique de 50 %.

Aimants à champ élevé du FCC-hh

Les aimants supraconducteurs à champ élevé font partie des technologies cruciales pour un collisionneur de hadrons à la frontière des hautes énergies comme le serait le FCC-hh. Les aimants guident les faisceaux de particules qui effectuent sur une trajectoire quasi-circulaire des milliards de révolutions : plus l'énergie des particules du faisceau est élevée, plus le champ doit être puissant. Pour diriger les faisceaux de 50 TeV, qui sont rigides, sur une circonférence de 100 km, les aimants de courbure doivent produire un champ magnétique de 16 teslas, soit un champ deux fois plus fort que celui produit par les dipôles du LHC. Cela demande de repenser notre vision de la conception. Cela suppose des conceptions entièrement nouvelles, des matériaux innovants, et une optimisation des coûts de production et d’exploitation.

AUX ÉTATS-UNS, DES CHERCHEURS ONT FAIT LA DÉMONSTRATION D'UN DIPÔLE D'ACCÉLÉRATEUR DE POINTE PRODUISANT UN CHAMP DE 14,1 T  ̶  LE PLUS ÉLEVÉ JAMAIS ATTEINT POUR UN TEL DISPOSITIF À UNE TEMPÉRATURE OPÉRATIONNELLE DE 4,5 K. CETTE ÉTAPE IMPORTANTE EST L'ŒUVRE DU PROGRAMME MDP, PROGRAMME DE DÉVELOPPEMENT DES AIMANTS MENÉ AUX ÉTATS-UNIS, AUQUEL PARTICIPENT LE FERMILAB, LE LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY (LBNL), LE NATIONAL HIGH-FIELD MAGNETIC FIELD LABORATORY ET LE BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY.

Le programme de R&D sur les aimants du FCC répond à ce défi, en se fixant deux objectifs principaux : étendre jusqu'à 16 teslas la plage de fonctionnement des aimants d'accélérateur utilisant des supraconducteurs à basse température (LTS), et explorer les défis technologiques liés à l'utilisation de supraconducteurs à haute température (HTS) pour les aimants d'accélérateur dans la gamme des 20 teslas. Cela se traduit par une approche par étapes portant à la fois sur les technologies LTS et sur les technologies HTS. Des aimants Nb₃Sn de type LTS conçus pour atteindre 16 teslas sont à l'étude, dans le cadre d'un programme axé sur la technologie des matériaux et des aimants. Parallèlement, des recherches sont menées pour aboutir à une conception simple et modulaire d'un insert HTS de 5 teslas, en vue de se rapprocher de la limite des 20 teslas.

Principaux défis 

• Produire un schéma de conception et d'ingénierie pour un dipôle d'accélérateur de 16 teslas en matériau LTS

• Réaliser un schéma de conception et une démonstration de principe d'un dipôle d'accélérateur de 20 teslas

• Réaliser un champ de qualité « accélérateur » dans une ouverture de 50 mm

• Étudier différentes géométries de bobines et de nouveaux concepts d'aimants

• Maîtriser les aspects de la production à grande échelle

• Optimiser les coûts de production et de fonctionnement