Des physiciens découvrent un moyen de suivre les particules perdues dans les accélérateurs

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Pour produire leurs extraordinaires résultats dans le domaine de la physique des particules, les accélérateurs de particules doivent être précisément calibrés de manière à être les plus efficaces possibles. L’un des problèmes affectant la cohérence des faisceaux de particules à haute énergie est la perte de faisceau ; c’est-à-dire les particules s’échappant du faisceau durant son trajet, le faisant perdre en cohérence et en puissance. Pour la première fois, des physiciens ont développé une technique permettant de mesurer et suivre en détail ce phénomène. Cela devrait ouvrir la voie à la construction d’accélérateurs plus puissants à moindre coût.

Un faisceau accélérateur de haute intensité est formé de milliers de milliards de particules qui parcourent à la vitesse de l’éclair un système d’aimants supraconducteurs puissants à haute énergie. Le calcul de la physique du faisceau est si complexe que même les supercalculateurs les plus rapides ne peuvent pas suivre.

Cependant, la réalisation d’une étape importante par les physiciens à l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Department of Energy (DOE) a permis d’étudier les caractéristiques des faisceaux dans des détails extraordinaires. Ils ont utilisé une technique de mesure nouvellement développée pour mieux comprendre la perte de faisceau — les particules parasites qui se déplacent en dehors des champs de confinement de l’accélérateur. Atténuer la perte de faisceau est primordial pour réaliser des accélérateurs plus puissants à des échelles plus petites et à des coûts moindres.

« C’est un problème qui nous hante depuis plus de 20 ans. La perte de faisceau est probablement le plus gros problème pour les accélérateurs de haute intensité, comme le grand collisionneur de hadrons au CERN et la source de neutrons de spallation (SNS) ici à Oak Ridge », indique Alexander Aleksandrov, physicien des accélérateurs à l’ORNL.

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Maîtriser la taille du halo de faisceau

Fonctionnant à 1.4 mégawatt, le SNS est l’une des installations de recherche phares du DOE, qui exploite les neutrons pour étudier l’énergie et les matériaux à l’échelle atomique. Les neutrons sont créés au SNS en propulsant des paquets, ou impulsions, de protons à près de 90% de la vitesse de la lumière le long de l’accélérateur linéaire de l’installation — ou linac. À la fin du linac, les impulsions du faisceau de protons impactent une cible métallique remplie de mercure liquide tourbillonnant à une vitesse de 60 tours par seconde.

Les collisions atomiques créent des groupes de neutrons — environ 20 neutrons par proton. Les neutrons évoluent ensuite à travers les modérateurs d’énergie et les chambres à vide vers les instruments environnants où les scientifiques les utilisent pour étudier comment les atomes d’un matériau sont disposés et comment ils se comportent. Essentiellement, l’augmentation de la puissance de l’accélérateur augmente le nombre de neutrons créés, ce qui à son tour augmente la productivité scientifique de l’installation et permet de nouveaux types d’expériences.

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Lors de sa trajectoire, un faisceau de particules perd de sa cohérence sous la forme d’un halo. Certaines particules le composant sont également éjectées du faisceau (« BLM » sur le schéma). © Gianluca Valentino et al. 2012

« Idéalement, nous voulons que toutes les particules du faisceau soient concentrées en un seul nuage très compact. Lorsque les particules s’éloignent, elles forment des nuages ​​de faible densité, appelés halo de faisceau. Si le halo devient trop grand et touche les murs de l’accélérateur, cela entraîne une perte de faisceau et peut créer des effets de rayonnement et d’autres problèmes », indique Aleksandrov.

Au lieu de faire les mesures au SNS, l’équipe a utilisé une réplique du linac du SNS à l’installation de test de faisceaux de l’ORNL. L’utilisation d’une réplique permet aux chercheurs de mener des études de physique avancées sur l’accélérateur sans interrompre les expériences dans l’installation de production de neutrons.

Découper le faisceau pour l’étudier en détail

La technique de mesure avancée est basée sur la même approche que les chercheurs ont utilisée en 2018 pour effectuer la première mesure de faisceau d’accélérateur de particules en six dimensions. Alors que l’espace 3D comprend des points sur les axes x, y et z pour mesurer la position, l’espace 6D possède trois coordonnées supplémentaires pour mesurer l’angle ou la trajectoire d’une particule.

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« La technique est en fait assez simple. Nous prenons un bloc de matériau avec un certain nombre de fentes que nous utilisons pour découper de petits échantillons du faisceau. Cela nous donne un faisceau contenant un nombre plus petit et plus gérable de particules que nous pouvons mesurer, et nous pouvons déplacer ce bloc pour mesurer d’autres sections du faisceau », explique Aleksandrov.

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L’illustration retrace le trajet du faisceau lorsqu’il passe à travers le quadripôle de radiofréquence en cuivre, l’aimant dipôle noir et le système de mesure à fente, et sur le détecteur de particules. La complexité structurelle du faisceau augmente lorsqu’elle est mesurée à des résolutions progressivement plus élevées. © ORNL/Jill Hemman

Les échantillons de faisceau ont été extraits de l’un des principaux composants accélérateurs du linac, appelé « ligne de transport de faisceau d’énergie moyenne », ou MEBT. La réplique MEBT, d’environ 4 mètres de long, comprend un rogneur de faisceau pour réduire le halo de faisceau précoce et offre plus d’espace que les MEBT typiques pour d’autres outils de diagnostic.

« Mais, au lieu de couper l’espace de phase 6D, cette fois nous n’avons découpé que les échantillons dans l’espace de phase bidimensionnel. Fondamentalement, si vous pouvez mesurer en six dimensions avec une résolution raisonnable, vous pouvez alors mesurer dans des dimensions inférieures avec une résolution beaucoup plus élevée ».

Une analyse en six dimensions pour plus de précision

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En utilisant les mesures 6D comme approche de base, la mesure en 2D a débloqué un niveau de résolution radicalement amélioré de une partie par million. Obtenir une résolution d’une partie par million est important pour les accélérateurs modernes pour deux raisons : c’est la densité maximale admissible à laquelle le halo de faisceau est gérable, et c’est le niveau de résolution, ou plage dynamique, nécessaire pour valider et construire des simulations de modélisation informatique plus précises de l’effet de halo de faisceau.

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« Dans le passé, la modélisation de faisceaux à ce niveau était une tâche impossible car les ordinateurs n’étaient pas capables de calculer des milliards de particules; et maintenant ils le peuvent, mais cela ne peut pas être fait avec précision sans ces distributions initiales de faisceaux. Il n’existe aucun modèle à notre connaissance qui prédit les modèles de perte de faisceau mesurés dans l’accélérateur réel. Tester nos modèles avec ce niveau de précision sans précédent est nécessaire pour construire des simulations plus robustes qui nous aideront à atténuer ces pertes », explique Kiersten Ruisard, physicienne à l’ORNL.

La mesure du faisceau à une énergie relativement faible de 2.5 mégaélectronvolts a fourni aux chercheurs des informations sur la façon de modéliser le faisceau à des énergies plus élevées. Aleksandrov a déclaré qu’ils travaillaient déjà sur la prochaine amélioration de la technique, qui impliquera l’utilisation de lasers pour mesurer le faisceau à une énergie nettement plus élevée de 1 gigaélectronvolt.

Sources : Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

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