CERN développe de nouveaux aimants supraconducteurs pour le LHC

Contexte et objectifs

Le projet High‑Luminosity LHC (HL‑LHC) vise à multiplier par dix la luminosité du collisionneur, ce qui nécessite une intensité de faisceau supérieure et, par conséquent, des aimants capables de soutenir des champs magnétiques plus élevés. CERN a donc lancé la construction d’une série d’aimants de nouvelle génération, principalement en Nb₃Sn, afin de remplacer les dipôles et quadrupôles en Nb‑Ti qui limitent actuellement le champ à 8,33 T.

Architecture des aimants Nb₃Sn

Les nouveaux dipôles (MBXF) sont conçus pour atteindre 11‑12 T sur un trajet de 14 m, soit une augmentation de près de 40 % par rapport aux aimants existants. Les quadrupôles (MQXF) possèdent un diamètre d’ouverture de 150 mm et délivrent un gradient de 140 T/m, contre 120 T/m pour les modèles précédents. Tous les aimants fonctionnent à 1,9 K, maintenus par le système de cryogénie à hélium superfluide déjà installé dans le tunnel. Le fil Nb₃Sn est enroulé en couches multiples, chaque couche supportant jusqu’à 1 kA de courant, ce qui impose une densité de courant critique d’environ 1500 A/mm² à 1,9 K.

Défis de fabrication et de mise en service

Le Nb₃Sn est intrinsèquement fragile : il devient superconduc‑teur seulement après un traitement thermique à 650 °C, ce qui rend le fil sensible aux contraintes mécaniques. CERN a donc adopté une technique de « wind‑and‑react » où le bobinage est réalisé avant la réaction, puis le montage complet subit un traitement thermique contrôlé. Cette approche impose des tolérances de <0,1 mm sur la géométrie du bobinage pour éviter les micro‑fissures. Le processus de « training » – cycles répétés de mise sous tension pour réduire les déclenchements de quench – a déjà nécessité plus de 30 % de cycles supplémentaires par rapport aux aimants Nb‑Ti, reflétant la sensibilité accrue aux défauts de surface.

Impacts sur la performance du LHC

Une fois installés, les aimants de 12 T permettront de réduire le rayon de courbure des faisceaux, augmentant ainsi le nombre de particules par paquet à 2,2 × 10¹¹, contre 1,7 × 10¹¹ actuellement. Cette densité accrue, combinée à un facteur de focussing plus important grâce aux quadrupôles à gradient élevé, porte la luminosité cible à 5 × 10³⁴ cm⁻² s⁻¹ d’ici 2029. Le gain de champ implique également une charge thermique supplémentaire de 0,5 W/m dans les sections cryogéniques, ce qui a conduit à la mise à jour du système de pompage d’hélium pour atteindre un débit de 150 g/s, soit 20 % de plus que le réseau actuel.