Résumé :
Le CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, développe une nouvelle génération d'aimants supraconducteurs pour la prochaine série d'améliorations du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ces aimants, qui utilisent de nouveaux matériaux et procédés de fabrication, ont atteint une intensité de champ magnétique de 11,3 Tesla lors de tests et deviendront un élément important du futur Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité.
Le Grand collisionneur de hadrons utilise des champs magnétiques extrêmement puissants pour contrôler les faisceaux de particules, permettant aux particules de se déplacer et d'entrer en collision à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, aidant ainsi les scientifiques à étudier la composition de base de la matière. Actuellement, le LHC peut effectuer environ 40 millions de collisions par seconde au cours d'une seule expérience, le nombre de particules impliquées dans chaque collision étant d'environ 60. En augmentant continuellement la fréquence des collisions et le nombre de particules, les scientifiques peuvent rechercher plus efficacement des particules rares et des phénomènes physiques jusqu'alors inobservés.
La prochaine phase du projet de mise à niveau que le CERN avance est appelée Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (LHC à haute luminosité), qui devrait lancer une nouvelle série d'expériences après 2030. L'objectif après la mise à niveau est d'augmenter le nombre de particules impliquées dans chaque collision de 140 à 200, tout en maintenant une fréquence de collision d'environ 40 millions de fois par seconde. La « haute luminosité » fait référence au fait qu'un plus grand nombre de collisions de particules peuvent se produire par unité de temps, augmentant ainsi les chances de découvrir des phénomènes physiques rares.
Pour y parvenir, le collisionneur aura besoin d'aimants compacts et fiables dotés de champs magnétiques plus puissants. Les aimants dipolaires traditionnels du LHC utilisent des bobines supraconductrices en niobium-titane (NbTi) et l'intensité du champ magnétique peut atteindre 8,3 Tesla, soit environ 166 000 fois l'intensité du champ magnétique terrestre. Cependant, les performances du matériau niobium-titane sont proches de la limite supérieure de l'intensité du champ magnétique qu'il peut atteindre, c'est pourquoi une nouvelle génération d'aimants quadripolaires a commencé à utiliser des matériaux supraconducteurs niobium-étain (Nb₃Sn), avec une intensité de champ magnétique cible proche de 12 Tesla.
L'une des principales difficultés rencontrées par cette mise à niveau technologique est que les matériaux niobium-étain ont des propriétés mécaniques complètement différentes de celles des matériaux niobium-titane traditionnels. Le niobium-titane a une bonne ductilité et peut être plié et enroulé après avoir formé un matériau supraconducteur ; le niobium-étain est très fragile et ne peut pas résister aux contraintes mécaniques importantes générées lors du processus d'enroulement de la bobine une fois la phase supraconductrice formée.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont adopté un procédé de fabrication appelé « Wind-and-React ». Pour faire simple, le matériau qui n'a pas encore formé la phase supraconductrice finale est enroulé dans une bobine, puis par traitement thermique à haute température, le niobium et l'étain réagissent, et finalement le matériau supraconducteur niobium-étain est formé.
Au cours du processus de fabrication spécifique, l'équipe de recherche a d'abord utilisé un câble supraconducteur de 760 mètres de long et l'a enroulé autour du cadre central pour former un ensemble de bobines d'une longueur d'environ 7,2 mètres et des ouvertures de 150 millimètres. Les bobines sont ensuite placées dans un environnement de gaz inerte pour un traitement thermique strictement contrôlé.
Le processus de traitement thermique dure plusieurs jours et la température augmente séquentiellement, restant à environ 210 degrés Celsius et 400 degrés Celsius pendant un certain temps, pour finalement atteindre environ 650 degrés Celsius. Après ce processus, le niobium et l'étain présents dans le câble réagissent chimiquement pour former un composé niobium-étain doté de propriétés supraconductrices.
Étant donné que le matériau niobium-étain est très fragile après sa formation, une extrême prudence doit être prise lors de la manipulation ultérieure de la bobine. Toute flexion ou déformation mécanique excessive peut endommager le matériau supraconducteur et affecter les performances électriques et la fiabilité structurelle de l'aimant.
Une fois le traitement thermique terminé, les chercheurs utilisent également de la résine époxy liquide pour traiter la bobine, permettant à la résine de combler les vides internes, les fissures et les interstices, puis de se solidifier en une structure polymère dure pour améliorer la stabilité mécanique de la bobine.
Ce projet de fabrication est dirigé par une équipe d'environ 60 personnes dirigée par Susana Izquierdo Bermúdez, ingénieure en aimants du CERN. Elle est impliquée dans la recherche et le développement de nouveaux aimants depuis 2012 et son travail comprend les tests d'enroulements de bobines, la conception électromagnétique, la conception mécanique, la fabrication et la vérification des performances.
Selon les résultats de recherche publiés par l'équipe de recherche dans IEEE Transactions on Applied Superconductivity, ils ont fabriqué plus de 120 bobines pour des aimants de 4,5 mètres de long et plus de 70 bobines pour des aimants de 7,2 mètres de long pour le projet de mise à niveau du LHC. Chaque aimant quadripolaire nécessite quatre bobines.
L'ensemble du projet a abouti à la production de 250 bobines, dont 25 n'ont pas répondu aux exigences de qualité en raison d'une erreur humaine et de défauts de performances électriques ou mécaniques au cours du processus de fabrication. Les chercheurs ont souligné que ce type d’aimant supraconducteur nécessite une précision de fabrication extrêmement élevée et que même de très petits défauts peuvent rendre l’ensemble de la bobine inutilisable. Il y avait une bobine qui a dû être mise au rebut car on soupçonnait qu'une particule métallique était coincée entre l'enroulement et le composant de protection, ce qui pourrait affecter ses performances de fonctionnement.
En septembre de cette année, l'équipe a terminé les tests de contrôle qualité de l'aimant de 7,2 mètres de long et a confirmé que l'intensité maximale de son champ magnétique atteignait 11,3 Tesla. Les aimants fonctionnent actuellement bien et les chercheurs ont commencé à continuer à fabriquer des bobines et des aimants de rechange pour répondre aux besoins des futurs projets de mise à niveau du LHC.
Cette réussite n'est pas simplement la recherche d'un nombre de champs magnétiques plus élevés, mais signifie que le CERN a fait progresser les matériaux supraconducteurs au niobium et à l'étain, depuis la recherche et le développement en laboratoire jusqu'au stade de fabrication technique à grande échelle et avec un contrôle de qualité strict. Pour le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité, un champ magnétique plus puissant aidera les chercheurs à contrôler plus efficacement les faisceaux de particules, permettant au collisionneur d'atteindre des capacités de collision de particules plus élevées dans un espace donné, fournissant ainsi une infrastructure clé pour les expériences de physique des particules après 2030.
Cette recherche a été publiée dans "IEEE Transactions on Superconducting Applications" le 24 septembre 2026. IEEE Spectrum a mis à jour le rapport le 10 novembre, corrigeant le nombre de collisions de particules dans chaque expérience.
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