Les tubes en acier inoxydable du grand collisionneur de hadrons

La physique des particules fait rarement la une des journaux. En juillet 2012 pourtant, les physiciens du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), installé près de Genève, a fait ce que l’on pourrait appeler la « découverte du siècle ». Grâce à l’accélérateur de particules (Large Hadron Collider, Grand collisionneur de hadrons), ils ont en effet trouvé les preuves les plus solides à ce jour pour étayer une théorie majeure définissant la structure de la matière à l’échelle subatomique.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Cette réussite vient couronner les efforts de développement déployés sur le LHC depuis plusieurs dizaines d’années et Fine Tubes développe et fournit, depuis plus de 15 ans déjà, des tubes en acier inoxydable haute précision pour le système de refroidissement essentiel au bon fonctionnement de la machine.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            Cette percée scientifique sans précédent met en lumière une particule subatomique supposée être le boson de Higgs. L’équipe scientifique aurait ainsi réussi à isoler la particule élémentaire de l’univers la plus insaisissable, dont l’existence avait été imaginée par Peter Higgs en 1964 mais qui n’avait jamais pu être prouvée jusqu’à présent.

« Fine Tubes offre une approche très constructive. C’est une entreprise réellement ouverte aux nouveaux défis, tels que les tests de fuite des tubes qui sont particulièrement critiques. Il est absolument indispensable que les tubes aient les spécifications les plus élevées puisqu’ils transportent de l’hélium supercritique dans le vide le plus complet où circulent les faisceaux de particules. Même la plus infime des fuites d’hélium dans le vide perturberait le fonctionnement du collisionneur ». Nicolaas Kos, Ingénieur mécanique, département technologique, Centre Européen de Recherche Nucléaire

Large Hadron Collider

Historique

Le grand collisionneur de hadrons (GCH) est un accélérateur de particules, il est plus puissant système d’essai expérimental jamais construit dans le domaine de la physique nucléaire. En créant les conditions nécessaires à la collision de particules atomiques, il permet aux scientifiques de poursuivre leurs recherches sur l’origine de l’univers. Cet accélérateur a été construit au CERN, sous terre de part et d’autre de la frontière franco-suisse.

Les connaissances actuelles sur la physique des particules laissent encore de nombreuses questions sans réponse. Les observations cosmologiques et astrophysiques démontrent que la totalité de la matière visible dans l’univers ne représente environ que 4 % de composition. Les physiciens recherchent des particules ou des phénomènes qui pourraient nous aider à comprendre ce qu’est la matière noire (23 % de l’univers) et l’énergie noire (73 %). La théorie la mieux acceptée actuellement considère que la matière noire pourrait être faite de particules supersymétriques neutres, qui n’ont pas encore été découvertes. On espère que le GCH du CERN apportera des réponses à de nombreuses questions sur la composition et l’histoire de l’univers. Il pourrait prouver l’existence de la matière noire et de l’antimatière, et nous aider à comprendre l’origine de la masse. Les résultats annoncés en juillet 2012 contribuent à confirmer les hypothèses actuelles sur les particules subatomiques, et en particulier par l’isolation du boson de Higgs.

Challenges

Le grand collisionneur de hadrons génère des collisions entre deux faisceaux de particules, qui peuvent être des protons ou des ions de plomb. Ces faisceaux sont générés par une chaîne d’accélérateurs avant d’être injectés dans le GCH dans lequel ils se déplacent dans un vide comparable à l’espace interplanétaire. Des aimants superconducteurs fonctionnant à des températures extrêmement basses guident les faisceaux dans l’anneau du collisionneur.

Cette technologie utilise des aimants supraconducteurs à double ouverture dans un bain d’hélium superfluide à 1,98 degré Kelvin (soit -271 °C). L’hélium superfluide a une conductivité thermique extrême, et constitue donc un fluide de refroidissement idéal pour la réfrigération et la stabilisation des plus gros systèmes supraconducteurs.

On pourrait dire que la partie centrale du GCH est le plus vaste et le plus puissant réfrigérateur du monde. À une température plus basse que celle de l’espace interplanétaire, elle contient du fer, de l’acier et les aimants supraconducteurs. Fine Tubes a relevé le défi de fournir des éléments tubulaires d’une extrême précision pour le système de vide du GCH, répondant à des exigences constamment exceptionnelles. Le matériau des tubes de refroidissement doit résister à des températures et à des pressions extrêmes, garantir une propreté métallurgique élevée, une étanchéité très rigoureuse, des niveaux exceptionnellement faibles de contaminations halogènes sur les diamètres extérieurs et intérieurs.

Solutions

Fine Tubes a lancé la fabrication des premiers prototypes destinés au CERN en 1995. Nos tubes en acier inoxydable sont spécialement formulés pour offrir une haute résistance mécanique et une perméabilité magnétique très faible à des températures cryogéniques.

Le diamètre extérieur des tubes de refroidissement est de 4,76 mm et leur épaisseur de paroi est de 0,53 mm. Ils font partie des écrans de faisceau, qui sont insérés dans les conduites de faisceau des aimants supraconducteurs du grand collisionneur de hadrons. Ces tubes de refroidissement transportent de l’hélium supercritique à des températures variant entre 5 et 20 degrés Kelvin (-268 et -250 degrés Celsius) à une pression pouvant atteindre 2,6 MPa (380 Psi). Au total pour le GCH, nous avons fourni 110 km de tubes en inox en longueurs de droites de 15,8 m.

Étapes suivantes

Le GCH est maintenant opérationnel et les données obtenues sont analysées par un vaste réseau mondial d’ordinateurs dénommé « The Grid ». Suite à cette découverte révolutionnaire en juillet 2012, les équipes chercheront à reproduire ces expériences et valider les résultats à l’aide du Grid et de la communauté de chercheurs mondiale la plus exceptionnelle.

En décembre 2012, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) a annoncé que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) ne sera plus opérationnel pendant deux années à partir de mars 2013. Après trois ans d’opérations sur les protons, le plus grand accélérateur de particules au monde sera en hibernation jusqu’en 2015. Pendant cette période, les ingénieurs procéderont à des améliorations qui permettront d’atteindre des niveaux énergétiques maximum capables de nouvelles découvertes. Les ingénieurs installeront 10 000 nouveaux câbles superconducteurs pour relier les aimants, dont la conception améliorera considérablement la capacité du système à simuler les conditions existantes après le big bang. Le nombre de collisions sera ainsi considérablement augmenté. « Plus vous avez de collisions, plus les probabilités d’événements rares augmentent », explique James Gillies, porte-parole principal du CERN. La particule de Higgs est seulement une des nombreuses particules figurant sur notre liste d’objectifs. Par conséquent, l’augmentation des niveaux énergétiques augmente le potentiel des découvertes ».

Pour ses dernières opérations avant deux années d’arrêt, le LHC fera tourner des ions de plomb pour créer des collisions avec des protons. Pour obtenir d’autres informations sur les développements en cours, visitez le site www.cern.ch

À propos du CERN

Basé près de Genève, le Centre Européen de Recherche Nucléaire (CERN) a été fondé en 1954. Il est le plus vaste laboratoire de physique des particules du monde et il est devenu un des meilleurs exemples de collaboration internationale, grâce à la contribution de vingt pays membres. Travaillant à la frontière des connaissances scientifiques, le CERN repousse les limites technologiques. Les résultats de ses expériences trouvent des applications très variées et étendues dans des domaines divers, allant de l’informatique à la science des matériaux. Par exemple, l’internet a été inventé au CERN pour aider les physiciens à communiquer à l’échelle mondiale.

Actuellement, les pays membres du CERN incluent l’Autriche, la Belgique, la Bulgarie, la République tchèque, le Danemark, la Finlande, la France, l’Allemagne, la Grèce, la Hongrie, l’Italie, les Pays-Bas, la Norvège, la Pologne, le Portugal, la Slovaquie, l’Espagne, la Suède, la Suisse et le Royaume-Uni. La Roumanie a demandé à participer à cette collaboration. Chypre, Israël et la Serbie sont des États membres associés du CERN en phase préalable d’adhésion. L’Inde, le Japon, La Fédération Russe, les États-Unis d’Amérique, la Turquie, l’Union européenne et l’UNESCO ont le statut d’observateur.

Further information

www.cern.ch

 

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