Recherche et développement en accélérateurs

Contexte

La physique nucléaire et la physique des hautes énergies utilisent des faisceaux de particules générés puis accélérés par des instruments sophistiqués. Ces appareils, appelés accélérateurs, font actuellement l’objet d’une intense recherche technologique afin d’en améliorer constamment les performances.
L’Institut a toujours inscrit ses actions de R&D dans le domaine des accélérateurs comme une priorité. En effet les avancées de la recherche fondamentale sont conditionnées pour une grande partie par les progrès réalisés sur ces machines. Cette politique est devenue encore plus vigoureuse ces dernières années du fait de la nécessité d’un renouveau important des techniques, pour pouvoir réaliser les augmentations en énergie et en luminosité des machines futures nécessaires aux recherches. Elle s’est notamment concrétisée par un rapprochement avec l'Irfu (CEA/DSM) qui a donné naissance en 2005 à une structure de concertation co-pilotée, le pôle Accélérateur.
Depuis quelques années déjà, l’évolution dans ce domaine se caractérise par une concentration des moyens de recherche autour de quelques grandes installations, de dimension européenne ou internationale. En France, le Ganil (Grand accélérateur national d'ion lourds) à Caen et Alto (Accélérateur linéaire et tandem d’Orsay) sont en activité pour la physique nucléaire ; en dehors de la France, la physique nucléaire et des particules se concentrent essentiellement à GSI, à Desy et surtout au Cern pour l’Europe, au Fermilab, Slac, JLab et Triumph respectivement pour les USA et le Canada, et Riken et KEK pour le Japon.

Les principales avancées techniques

La R&D en matière d’accélération fait appel à un grand nombre de spécialités scientifiques et technologiques (physique des accélérateurs, techniques de cryogénie, de magnétisme, d’hyperfréquences, du vide, de contrôle-commande, électronique rapide et de puissance, instrumentation de faisceaux …) et se concentre sur la génération de faisceaux de particules par des sources d’ions de plus haute luminosité et de haute intensité ainsi que sur l’accélération des particules à des énergies plus élevées.

Les sources d’ions

Le développement des sources d’ions, secteur d’excellence de l’IN2P3, propose des sources capables, avec un bon rendement, soit d’ioniser n’importe quel type d’élément avec de forts états de charge, soit de convertir, pour des faisceaux radioactifs, un faisceau d’ions mono-chargés en faisceau d’ions multi-chargés, deux applications essentielles en physique du noyau. Les sources d’ions font également l’objet de transferts dans le monde industriel.

Les accélérateurs de protons de forte puissance

Les accélérateurs envisagés pour la production de faisceaux d’ions radioactifs ou de faisceaux intenses de neutrinos ou encore comme source de neutrons de spallation font appel à un accélérateur primaire de protons de quelques dizaines de milliampères d’intensité et d’un gigaélectronvolt d’énergie, d’où des puissances de faisceaux élevées (plusieurs megawatts). De telles machines posent des problèmes nouveaux en matière de sources d’ions, de cavités accélératrices et surtout de fiabilité, condition essentielle pour certaines applications (transmutation).

• Premier étage d’accélération

Le projet Iphi d’injecteur de protons pour la partie basse énergie d’un accélérateur dédié aux faisceaux de protons de haute intensité a été conçu pour démontrer la faisabilité d’une machine de forte intensité et de très grande fiabilité. C’est la première étape du développement des futurs faisceaux de particules nécessaires à plusieurs communautés scientifiques et applications (projet Superconducting proton linac (SPL) au Cern, faisceaux, superfaisceaux radioactifs et faisceaux bêta (projet Eurisol), sources de neutrons de spallation (projet European spallation source - ESS), ADS (Système piloté par accélérateur) Myrrha, tests des matériaux pour la fusion (projet Ifmif)).

• Les cavités accélératrices supraconductrices

Les faisceaux de forte intensité demandent des cavités accélératrices ayant de larges ouvertures, pour limiter les pertes associées à un fort gradient accélérateur, et un excellent rendement électrique. Les cavités supraconductrices "Spoke" répondent à ces exigences pour la réalisation du premier étage de ce type d’accélérateur. En ce qui concerne l’étage final d’accélération, le développement de cavités elliptiques s’est révélé très performant. De façon à capitaliser l’acquis technologique et en synergie avec l'Irfu (CEA/DSM), a été créée la plateforme de recherche technologique régionale Supratech, co-financée par des contrats régionaux, départementaux et européens. Cette plateforme soutient par exemple les développements nécessaires à la réalisation du projet phare européen de physique nucléaire centré sur l’utilisation de l’accélérateur de faisceaux radioactifs Spiral2, basé au Ganil à Caen, et la R&D nécessaire aux projets de la génération suivante (Eurisol).

Les accélérateurs d’électrons pour la physique des particules

Le grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern a démarré en 2008 (l'IN2P3 a participé à sa construction) mais les physiciens réfléchissent déjà aux accélérateurs futurs : des collisionneurs linéaires d’électrons de plus de 500 GeV. Deux voies sont à l’étude :

• la technologie supraconductrice, choisie en 2004 par la collaboration internationale ILC (International linear collider), vise à réaliser un accélérateur linéaire supraconducteur à hautes performances (énergie allant de 500 GeV à 1 TeV). L'IN2P3 poursuit une R&D sur les coupleurs de puissance radiofréquence, composants critiques pour les futurs accélérateurs supraconducteurs ; cela a entraîné la construction d’une station d'essai destinée au développement technologique et à la validation des performances des coupleurs. Ces travaux trouvent déjà des applications dans d'autres disciplines comme la physique du solide qui utilise du rayonnement X généré par des lasers à électrons libres utilisant un accélérateur (X ray-free electron laser - XFEL, machine en construction à Desy (Hambourg)) : l'IN2P3 contribuera fortement à ce projet en fournissant un millier de coupleurs, pièces de haute technologie.
• la technologie chaude à très haute fréquence (12 GHz) consiste à concevoir une machine de plus haute énergie (de 3 à 5 TeV) dans le cadre du projet Clic, collaboration internationale menée par le Cern. L'IN2P3 participe aux études du programme CTF3, station d'essai du Cern destinée à démontrer la faisabilité d’un tel système, développe les photoinjecteurs à haut courant et faible émittance et participe à la R&D des systèmes de stabilisation des faisceaux nanométriques.

D'autres aspects importants liés aux collisionneurs linéaires et indépendants de la technologie accélératrice sont étudiés à l’Institut : les sources originales de positrons polarisés, les interactions laser-faisceau et faisceau-faisceau et leurs effets sur les détecteurs et des développements d'instrumentation avancée.

Ouverture interdisciplinaire

Grâce à l’extraordinaire acquis de ces développements, l’IN2P3 propose l’utilisation de ses techniques d’accélération à d’autres disciplines :