A l’Institut Paul Scherrer PSI, les premiers positrons ont été produits avec succès dans une source d’essai déstinée au collisionneur de particules de nouvelle génération du CERN, qui pourrait succéder au Grand collisionneur de hadrons. Installée au laser à rayons X à électrons libres SwissFEL, cette source d’essai exploite de nouvelles technologies, qui comprennent des aimants supraconducteurs à haute température permettant d’obtenir un haut rendement en positrons. Cet accomplissement montre la faisabilité du concept de source de positrons et marque une étape importante dans le développement des technologies nécessaires pour faire fonctionner le collisionneur électron-positron.

La source d’essai qui a permis de produire des positrons et de valider le concept de source de positrons pour le Futur collisionneur circulaire (FCC) du CERN se trouve dans un bunker souterrain de l’Institut Paul Scherrer PSI en Argovie (Suisse). «Ce sont les premiers positrons destinés au projet FCC, il s’agit donc d’une étape importante», affirme Paolo Craievich. Physicien au centre des sciences et de l’ingénierie des accélérateurs du PSI, il est coresponsable, avec Riccardo Zennaro, du projet de production de positrons au PSI, appelé P³.

Le FCC est un accélérateur à particules d’une longueur prévue de 91 km, qui fait actuellement l'objet d'études en vue de devenir, dans les années 2040, le successeur éventuel du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Installé dans un tunnel sous la région frontalière franco-suisse non loin du CERN, à une profondeur moyenne de 200 mètres, le FCC ferait entrer en collision des électrons et leurs antiparticules, appelées positrons, pour ouvrir de nouvelles pistes dans l’exploration des questions fondamentales sur la nature de l’univers. Des questions que les collisionneurs actuels ne sont pas en mesure de résoudre.

L’un des principaux défis techniques du collisionneur – qui est encore à l’étude – est de produire suffisamment de positrons et de les concentrer efficacement sous forme de faisceau, une prouesse que les technologies existantes ne sont pas en mesure de réaliser à l’échelle souhaitée. Les scientifiques du PSI ont passé les cinq dernières années à développer une source de positrons plus puissante, qui est maintenant installée au SwissFEL.

Accroître le rendement en positrons

Le prototype de source de positrons est testé en utilisant des électrons accélérés du SwissFEL. Ces électrons frappent une cible en tungstène et génèrent une pluie de positrons. La mission de la source de positrons est de capter les positrons et de créer un faisceau concentré grâce à de puissants champs magnétiques.

«Quand les électrons heurtent la cible, les positrons émergent et voyagent dans de nombreuses directions différentes, explique Riccardo Zennaro du centre des sciences et de l’ingénierie des accélérateurs du PSI. Le défi consiste à en rassembler le plus possible pour les concentrer sous la forme d’un faisceau. Normalement, on en perd une grande partie à ce stade. Notre résultat initial suggère que le nouveau système pourrait capturer suffisamment de positrons pour répondre aux spécifications du FCC.»

Une technologie au-delà des limites conventionnelles

Le solénoïde de capture est au cœur de la source de positrons: étant donné qu’un champ magnétique extrêmement puissant est nécessaire pour capturer le plus de positrons possible, cet aimant supraconducteur à haute température a été disposé tout autour de la cible.

Puisque les exigences dépassent les limites de la technologie conventionnelle des aimants supraconducteurs, les experts du PSI ont mis au point un aimant compact capable de maintenir des champs exceptionnellement puissants tout en restant stable pendant son fonctionnement. Cet aimant est conçu pour atteindre un champ d’environ 15 teslas. A titre de comparaison, l’aimant de capture utilisé à la source de positrons SuperKEKB au Japon – l’une des sources de positrons les plus performantes actuellement en service – atteint 3,5 teslas.

Au-delà du solénoïde de capture, d’autres composants innovants guident, séparent et mesurent les particules produites au niveau de la cible. Des dispositifs à radiofréquence (RF) accélèrent et regroupent les positrons, afin qu’ils puissent être transportés efficacement et, à terme, injectés dans un collisionneur. Des systèmes de diagnostic récemment mis au point mesurent le nombre de positrons générés, ainsi que leur synchronisation et leur énergie, ce qui permet aux scientifiques d’évaluer les performances de la nouvelle source.

La production des premiers positrons montre que ces différents éléments fonctionnent de concert. Michael Benedikt, chef du projet FCC au CERN, commente la réalisation de cette étape importante: «Ces résultats marquent une étape importante pour le FCC en validant l’approche proposée pour la source de positrons et en démontrant son potentiel pour répondre aux exigences élevées du collisionneur.»

Et d’ajouter: «Je félicite l’équipe P³ et les nombreux collègues du PSI qui ont rendu cet exploit possible en collaboration avec leurs partenaires du CERN, du laboratoire de physique IJCLab de l’Université de Paris-Saclay et du centre de recherche KEK. Ce travail témoigne également du soutien essentiel apporté dans le cadre du programme Swiss CHART dans le but de développer l’expertise et les technologies de pointe nécessaires pour faire de la vision FCC un projet crédible du point de vue technique.»

Augmenter la production pour le FCC

Maintenant que les premiers positrons ont été produits avec succès, les scientifiques vont accroître l’intensité du faisceau et optimiser le système. «Notre but est d’augmenter la production de positrons pour répondre aux spécifications du FCC et acquérir de l’expérience avec ce type de source de positrons», affirme Riccardo Zennaro.

La source de positrons fait partie d’une collaboration plus large entre le PSI et le CERN pour la conception de l’injecteur du FCC, c’est-à-dire le système qui produirait, accélérerait et préparerait le faisceau d’électrons et de positrons avant qu’ils n’entrent dans le collisionneur. Dans le cadre de la contribution de la Suisse au projet CHART (Swiss Accelerator Research and Technology), ces travaux s’appuient sur l’expérience du PSI en matière de conception, de construction et d’exploitation d’installations basées sur des accélérateurs.

«Avec l’expérience et le savoir-faire accumulés au SwissFEL, nous pouvons contribuer aux innovations nécessaires pour les futurs collisionneurs électron-positron, précise Paolo Craievich. L’échelle serait beaucoup plus grande. Pour le SwissFEL, nous avons construit 120 structures à radiofréquence. Pour l’injecteur du FCC, il en faudrait 440.»

Une technologie pour le futur

Outre les collisionneurs électron-positron tels que le FCC, les différentes technologies ont encore d’autres applications. Par exemple, les aimants supraconducteurs à haute température permettent de maintenir de manière fiable des champs magnétiques élevés à des températures supérieures, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie liée au refroidissement cryogénique par rapport aux aimants supraconducteurs à basse température: «C’est la première fois dans le monde que des aimants supraconducteurs à haute température ont été utilisés dans un vrai accélérateur, dit Paolo Craievich. A l’avenir, cette technologie devrait être utilisée dans les accélérateurs pour des fonctions telles que les aimants de courbure.»

La technologie d’aimants développée au PSI est aussi à l’étude pour des applications de technologie médicale, notamment dans le domaine des aimants des portiques de protonthérapie et dans la recherche sur la fusion.

Texte: Institut Paul Scherrer PSI/Miriam Arrell