Non loin du lac de Genève, le Laboratoire européen de physique des particules (CERN) exploite le plus grand accélérateur de particules au monde : le Large Hadron Collider (LHC). Les chercheurs utilisent l’accélération des particules pour étudier les questions fondamentales de la physique et tenter de déterminer la composition de la matière sombre, par exemple. Ils ont déjà prouvé l’existence du boson de Higgs, la « particule de Dieu », qui donne à toutes les autres particules élémentaires leur masse.
Détecteurs surdimensionnés
L’accélérateur de particules LHC est un tunnel annulaire gigantesque d’environ 27 kilomètres de long et doté de quatre points de mesure, dont deux détecteurs à usage général : ATLAS et CMS. Les impressionnants cylindres, qui pèsent autant que la tour Eiffel, reposent à l’intérieur d’énormes cavernes. Pour les chercheurs, c’est une fenêtre sur les secrets de l’univers.
Le détecteur ATLAS a été développé pour faire de nouvelles découvertes de particules résultant de collisions frontales de protons. La recherche contribue à des études sur les dimensions supplémentaires, l’unification des forces et la matière sombre.
Le détecteur CMS a été développé pour étudier les particules produites lors de collisions proton-proton et d’ions lourds. Les chercheurs veulent trouver des réponses à des questions fondamentales telles que : « Pourquoi le monde est-il tel qu’il est ?", « Pourquoi certaines particules pèsent-elles plus lourd que d’autres ? » et « Qu’est-ce qui fait l’obscurité dans l’univers ? »
Pour explorer les secrets cachés, l’ATLAS et le CMS utilisent des mesures de précision pour enregistrer le chemin, l’élan et l’énergie des particules libérées, sans erreur. Les détecteurs sont recouverts de modules de capteurs en silicium (plus de cent mètres carrés chacun) enregistrant les collisions de particules, qui génèrent plus d’un milliard d’interactions par seconde.
Image de gauche : Les détecteurs ATLAS et CMS du laboratoire du CERN en Suisse utilisent des mesures de précision pour enregistrer le chemin, l’élan et l’énergie des particules libérées. Le détecteur CMS étudie les particules produites lors de collisions proton-proton et d’ions lourds. Crédit photo : CERN
Image de droite : Le détecteur ATLAS est utilisé pour effectuer des découvertes de particules résultant de collisions frontales de protons. La recherche contribue à des études sur les dimensions supplémentaires, l’unification des forces et la matière sombre. Crédit photo : CERN
Réfrigération
Pour garantir la précision des mesures et éviter que les capteurs en silicium ne soient endommagés par la forte dose de rayonnement, des températures jusqu’à -55 °C sont nécessaires. L’électronique et les capteurs génèrent également beaucoup de chaleur qui doit être dissipée.
Lors d’un arrêt prolongé prévu de 2026 à 2029, l’accélérateur LHC et ses expériences feront l’objet d’une mise à niveau importante. Notamment, par le remplacement complet des détecteurs de suivi en silicium.
« ATLAS et CMS utiliseront un système de refroidissement au CO2 biphasé pour tous leurs traceurs de silicium et leurs détecteurs calorimétriques à embout. Le système permet un transfert de chaleur élevé à une faible viscosité et une plage de températures bien adaptée au fonctionnement du détecteur », explique Jérôme Daguin, ingénieur en refroidissement et coordinateur du refroidissement CMS au CERN.
Le système de refroidissement sera basé sur des unités modulaires parallèles qui font circuler le CO2 à travers des évaporateurs spéciaux. Chaque module de refroidissement sera équipé d’une pompe à membrane spéciale pour faire circuler le CO2 liquide.
Pour introduire le fluide de refroidissement avec précision et en toute sécurité, le CERN travaille à nouveau avec les experts en pompes de LEWA, une marque du groupe Atlas Copco. Des pompes de dosage à membrane LEWA de différentes tailles seront utilisées pour alimenter le circuit de refroidissement en CO2 liquide utilisé de manière précise et constante.
Repousser les limites
Les pompes de dosage à membrane ont été testées spécifiquement pour répondre aux exigences du CERN. Le CERN et LEWA ne voulaient rien laisser au hasard lorsqu’il s’agissait de s’assurer que le transport du fluide de refroidissement sophistiqué des cavernes de service vers les détecteurs se faisait sans erreur. Plusieurs prototypes ont été construits pour la version à distance adaptée, qui a fonctionné comme des bancs d’essai en conditions réelles. Ils ont d’abord été testés avec de l’eau, puis nettoyés avec de l’éthanol, puis testés en fonctionnement continu avec du CO2.
« Il était important de mettre en œuvre une solution robuste et durable. La liste des exigences était assez ambitieuse et nécessitait des adaptations très particulières », explique Wieland Wolff, Area Sales Manager chez LEWA.
Par exemple, les joints existants de la version de base ont d’abord été validés, puis remplacés par des versions plus adaptées. Pour éviter que les alarmes d’avertissement de CO2 ne se déclenchent accidentellement après l’installation sur site, les unités hermétiquement étanches ont également été revêtues de PTFE en fluoropolymère aux endroits critiques. En outre, l’unité d’entraînement et la tête d’entraînement ont été modifiées pour fournir des points de mesure appropriés pour les instruments du CERN.
De plus, la température transmise au niveau de l’unité d’entraînement ne doit pas descendre en dessous de -20 °C. À cet effet, les ingénieurs de LEWA ont ajouté une conduite alternative dans laquelle l’huile hydraulique peut s’échauffer, empêchant le CO2 à -55 °C d’atteindre l’unité d’entraînement.
Le processus d’accélération des particules LHC repose sur des températures froides obtenues grâce aux pompes de dosage à membrane de LEWA, une marque du groupe Atlas Copco.
Avantages mutuels
Les nombreux travaux préparatoires ont porté leurs fruits et LEWA a commencé à livrer le premier lot d’un total de 18 pompes LDG ecoflow.
Les pompes sont installées à l’écart des détecteurs dans les cavernes de service, en dehors de la zone de rayonnement et de champ magnétique présente dans les cavernes expérimentales. Cela permet de les contrôler à partir de la salle de contrôle grâce au réglage électrique de la course et à un variateur de fréquence, éliminant ainsi le besoin de présence d’employés sur site.
Une fois l’arrêt actuel terminé, les pompes installées refroidiront l’électronique et les capteurs en silicium via un réseau complexe de lignes de transfert, de collecteurs de distribution et de petits tuyaux de refroidissement.
Vous trouverez de plus amples informations sur : www.lewa.com et www.atlas.cern
