Collisionneur linéaire compact

Le collisionneur linéaire compact ( CLIC ) est un concept de futur accélérateur linéaire de particules qui vise à explorer la prochaine frontière énergétique . Le CLIC ferait entrer en collision des électrons avec des positons et constitue actuellement la seule option mature pour un collisionneur linéaire multi-TeV . L'accélérateur mesurerait entre 11 et 50 km (7 et 31 miles) de long, soit plus de dix fois plus que l' accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) existant en Californie, aux États-Unis. Le CLIC devrait être construit au CERN , de l'autre côté de la frontière entre la France et la Suisse, près de Genève , les premiers faisceaux commençant à être émis lorsque le Grand collisionneur de hadrons (LHC) aura terminé ses opérations vers 2035.

L'accélérateur CLIC utiliserait une nouvelle technique d'accélération à deux faisceaux avec un gradient d'accélération de 100 M V /m, et sa construction étagée permettrait des collisions à trois énergies du centre de masse jusqu'à 3 TeV pour une portée physique optimale . Des travaux de recherche et développement (R&D) sont en cours pour atteindre les objectifs de physique de haute précision dans des conditions de faisceau et de fond difficiles .

Le CLIC a pour objectif de découvrir de nouvelles physiques au-delà du modèle standard de la physique des particules, grâce à des mesures de précision des propriétés du modèle standard ainsi qu'à la détection directe de nouvelles particules. Le collisionneur offrirait une sensibilité élevée aux états électrofaibles , dépassant la précision prévue du programme complet du LHC. polarisation du faisceau d'électrons .

La collaboration CLIC a produit un rapport de conception conceptuelle (CDR) en 2012, complété par un scénario de mise en scène énergétique mis à jour en 2016. Des études détaillées supplémentaires sur le cas physique du CLIC, une conception avancée du complexe d'accélérateurs et du détecteur, ainsi que de nombreux résultats de R&D sont résumés dans une récente série de rapports jaunes du CERN.

Il existe deux principaux types de collisionneurs de particules, qui diffèrent selon le type de particules qu'ils entrent en collision : les collisionneurs de leptons et les collisionneurs de hadrons . Chaque type de collisionneur peut produire différents états finaux de particules et étudier différents phénomènes physiques. Parmi les collisionneurs de hadrons, on peut citer les ISR , le SPS et le LHC du CERN, ainsi que le Tevatron aux États-Unis. Parmi les collisionneurs de leptons, on peut citer le SuperKEKB au Japon, le BEPC II en Chine, le DAFNE en Italie, le VEPP en Russie, le SLAC aux États-Unis et le Grand collisionneur électron-positon du CERN. Certains de ces collisionneurs de leptons sont toujours en activité.

Les hadrons sont des objets composés, qui conduisent à des collisions plus complexes et limitent la précision des mesures physiques. C'est par exemple la raison pour laquelle le Grand collisionneur de hadrons a été conçu pour fonctionner à une énergie aussi élevée, alors que l'on savait déjà que la particule de Higgs devait se trouver à peu près aux énergies auxquelles elle se trouverait finalement : la moindre précision d'un collisionneur de hadrons nécessitait des impacts plus nombreux et plus énergétiques pour compenser. Les collisionneurs de leptons, en revanche, entrent en collision avec des particules fondamentales , donc l'état initial de chaque événement est connu et des mesures de plus grande précision peuvent être réalisées.

Une autre façon de classer les collisionneurs est de les classer par leur géométrie physique : linéaire ou circulaire. Les collisionneurs circulaires ont l'avantage de pouvoir accélérer les particules à plusieurs reprises pour atteindre des énergies très élevées, et de pouvoir croiser leurs faisceaux de manière répétée pour atteindre un nombre très élevé de collisions entre particules individuelles.

D'un autre côté, ils sont limités par le fait que maintenir les particules en circulation signifie les accélérer constamment vers l'intérieur. Cela fait que les particules chargées émettent un rayonnement synchrotron , ce qui conduit à terme à une perte d'énergie significative et à une limite de l'énergie de collision atteignable. Cette perte synchrotron est particulièrement néfaste pour les collisionneurs de leptons, car elle est proportionnelle à la quatrième puissance de la vitesse des particules, et les seuls leptons stables qui existent (électrons et positons) sont, comme leur nom l'indique, très légers. Ils devront être accélérés à des vitesses beaucoup plus élevées que les particules plus lourdes (baryons) afin d'obtenir la même énergie, et soudain la perte synchrotron devient le facteur limitant.

En tant que collisionneur linéaire, CLIC n'aura pas ce problème. Il devra néanmoins faire face à l'impossibilité de faire recirculer ses faisceaux, ce qui, malgré son appellation de « compact », nécessite une échelle massive et une conception peu conventionnelle pour atteindre les accélérations linéaires élevées requises.

Le CLIC devrait être construit et exploité en trois étapes avec différentes énergies dans le centre de masse : 380 GeV, 1,5 TeV et 3 TeV. luminosités intégrées à chaque étape devraient être respectivement de 1 ab ⁻¹ , 2,5 ab ⁻¹ et 5 ab ⁻¹ , ce qui permettra un vaste programme de physique sur une période de 27 ans. Ces énergies dans le centre de masse ont été motivées par les données actuelles du LHC et par les études du potentiel physique menées par l'étude CLIC.

Déjà à 380 GeV, CLIC couvre bien la physique du Modèle Standard ; les niveaux d'énergie au-delà de cette limite permettent la découverte de nouvelles physiques ainsi que des mesures de précision accrues des processus du Modèle Standard . De plus, CLIC fonctionnera au seuil de production de paires de quarks top autour de 350 GeV dans le but de mesurer précisément les propriétés du quark top.

Le CLIC permettrait d’explorer de nouvelles gammes d’énergie, d’apporter des solutions possibles à des problèmes non résolus et de découvrir des phénomènes dépassant notre compréhension actuelle.

Les données actuelles du LHC suggèrent que la particule découverte en 2012 est le boson de Higgs , comme le prédit le modèle standard de la physique des particules. Cependant, le LHC ne peut répondre que partiellement aux questions sur la véritable nature de cette particule, comme sa nature composite/fondamentale, ses forces de couplage et son rôle éventuel dans un secteur électrofaible étendu. Le CLIC pourrait examiner ces questions plus en profondeur en mesurant les couplages de Higgs avec une précision jamais atteinte auparavant. L'étage de 380 GeV du CLIC permet, par exemple, des mesures précises, indépendantes du modèle, des couplages du boson de Higgs aux fermions et aux bosons par le biais des processus de production de Higgsstrahlung et de fusion WW. Les deuxième et troisième étages donnent accès à des phénomènes tels que le couplage top-Yukawa , les désintégrations rares du Higgs et l'auto-couplage du Higgs.

Français Le quark top, la plus lourde de toutes les particules fondamentales connues, n'a jusqu'à présent jamais été étudié dans les collisions électron - positon . Le collisionneur linéaire CLIC prévoit de mener un vaste programme de physique du quark top. L'un des principaux objectifs de ce programme serait d'effectuer une analyse de seuil autour du seuil de production de paires de quarks top (~350 GeV) pour déterminer précisément la masse et d'autres propriétés importantes du quark top. Pour cette analyse, le CLIC prévoit actuellement de consacrer 10 % du temps d'exécution de la première étape, en collectant 100 fb ⁻¹ . Cette étude permettrait de déterminer la masse du quark top d'une manière théoriquement bien définie et avec une précision plus élevée que celle possible avec les collisionneurs de hadrons. Le CLIC viserait également à mesurer les couplages électrofaibles du quark top au boson Z et au photon, car les écarts de ces valeurs par rapport à celles prédites par le modèle standard pourraient être la preuve de nouveaux phénomènes physiques, tels que des dimensions supplémentaires. De nouvelles observations de désintégrations du quark top avec des courants neutres à changement de saveur au CLIC seraient une indication indirecte d'une nouvelle physique, car celles-ci ne devraient pas être observées par le CLIC selon les prédictions actuelles du modèle standard .

Le CLIC pourrait permettre de découvrir de nouveaux phénomènes physiques soit par des mesures indirectes, soit par observation directe. De larges écarts dans les mesures de précision des propriétés des particules par rapport aux prédictions du Modèle Standard signaleraient indirectement la présence de nouveaux phénomènes physiques. De telles méthodes indirectes donnent accès à des échelles d'énergie bien au-delà de l'énergie de collision disponible, atteignant des sensibilités allant jusqu'à des dizaines de TeV.

Français Voici des exemples de mesures indirectes dont le CLIC serait capable à 3 TeV : utiliser la production de paires de muons pour fournir la preuve d'un boson Z ' (portée jusqu'à ~30 TeV) indiquant une extension de jauge simple au-delà du Modèle Standard ; utiliser la diffusion de bosons vectoriels pour donner un aperçu du mécanisme de brisure de symétrie électrofaible ; et exploiter la combinaison de plusieurs états finaux pour déterminer la nature élémentaire ou composite du boson de Higgs (portée de l'échelle de composition jusqu'à ~50 TeV). La production directe de paires de particules jusqu'à une masse de 1,5 TeV et la production de particules individuelles jusqu'à une masse de 3 TeV sont possibles au CLIC. En raison de l'environnement propre des collisionneurs électron-positon, le CLIC serait capable de mesurer les propriétés de ces nouvelles particules potentielles avec une très grande précision. Des exemples de particules que le CLIC pourrait observer directement à 3 TeV sont quelques-unes de celles proposées par la théorie de la supersymétrie : les charginos , les neutralinos (tous deux ~≤ 1,5 TeV) et les sleptons (≤ 1,5 TeV).

Cependant, les recherches à partir de données expérimentales sur la constante cosmologique , le bruit LIGO et le timing des pulsars suggèrent qu'il est très peu probable qu'il y ait de nouvelles particules avec des masses beaucoup plus élevées que celles que l'on peut trouver dans le modèle standard ou le LHC. D'un autre côté, ces recherches ont également indiqué que la gravité quantique ou la théorie quantique perturbative des champs deviendra fortement couplée avant 1 PeV, conduisant à d'autres nouvelles physiques dans les TeV.

Pour atteindre l'énergie de faisceau souhaitée de 3 TeV, tout en gardant la longueur de l'accélérateur compacte, CLIC vise un gradient d'accélération jusqu'à 100 MV/m. CLIC est basé sur des cavités d'accélération à conduction normale fonctionnant à température ambiante , car elles permettent des gradients d'accélération plus élevés que les cavités supraconductrices . Avec cette technologie, la principale limitation est le taux de claquage haute tension (BDR), qui suit la loi empirique , où est le gradient d'accélération et est la longueur d'impulsion RF. Le gradient d'accélération élevé et la valeur BDR cible (3 × 10 ⁻⁷ impulsion ⁻¹ m ⁻¹ ) déterminent la plupart des paramètres du faisceau et la conception de la machine .

Pour atteindre ces gradients d'accélération élevés tout en maintenant une consommation d'énergie abordable, le CLIC utilise un nouveau système d'accélération à deux faisceaux : un faisceau dit Drive Beam est parallèle au faisceau principal en collision. Le faisceau Drive Beam est décéléré dans des dispositifs spéciaux appelés structures d'extraction et de transfert de puissance (PETS) qui extraient l'énergie du faisceau Drive Beam sous la forme d' ondes radiofréquences (RF) puissantes, qui sont ensuite utilisées pour accélérer le faisceau principal. Jusqu'à 90 % de l'énergie du faisceau Drive Beam est extraite et transférée efficacement au faisceau principal.

Les électrons nécessaires au faisceau principal sont produits en éclairant une cathode de type GaAs avec un laser polarisé à commutation Q et sont polarisés longitudinalement à 80 %. Les positons du faisceau principal sont produits en envoyant un faisceau d'électrons de 5 GeV sur une cible en tungstène . Après une accélération initiale jusqu'à 2,86 GeV, les électrons et les positons pénètrent dans des anneaux d'amortissement pour réduire l'émittance par amortissement du rayonnement . Les deux faisceaux sont ensuite accélérés jusqu'à 9 GeV dans un accélérateur linéaire commun. De longues lignes de transfert transportent les deux faisceaux jusqu'au début des accélérateurs linéaires principaux où ils sont accélérés jusqu'à 1,5 TeV avant d'entrer dans le système de distribution de faisceaux (BDS), qui comprime et amène les faisceaux en collision. Les deux faisceaux entrent en collision au niveau de l'IP avec un angle de croisement de 20 m rad dans le plan horizontal.

Chaque complexe Drive Beam est composé d'un linac de 2,5 km de long, suivi d'un complexe de recombinaison Drive Beam : un système de lignes à retard et d'anneaux de combinaison où les impulsions de faisceau entrantes sont entrelacées pour former finalement une séquence de 12 GHz et un courant de faisceau local aussi élevé que 100 A. Chaque linac Drive Beam de 2,5 km de long est alimenté par des klystrons de 1 GHz . Cela produit un faisceau de 148 μs de long (pour le scénario d'étage d'énergie de 1,5 TeV) avec une fréquence de regroupement de 0,5 GHz. Toutes les 244 ns, la phase de regroupement est commutée de 180 degrés, c'est-à-dire que les seaux pairs et impairs à 1 GHz sont remplis en alternance. Ce codage de phase permet la première recombinaison à deux facteurs : les paquets impairs sont retardés dans une boucle de retard (DL), tandis que les paquets pairs la contournent. Le temps de vol du faisceau laser est d'environ 244 ns et réglé au niveau de la picoseconde de telle sorte que les deux trains de paquets peuvent fusionner, formant plusieurs trains de 244 ns de long avec une fréquence de regroupement à 1 GHz, séparés par 244 ns d'espace vide. Cette nouvelle structure temporelle permet une recombinaison supplémentaire de facteur 3 et de facteur 4 dans les anneaux de combinaison suivants avec un mécanisme similaire à celui du faisceau laser. La structure temporelle finale du faisceau est constituée de plusieurs (jusqu'à 25) trains de paquets de 244 ns de long à 12 GHz, espacés d'environ 5,5 μs. La recombinaison est chronométrée de telle sorte que chaque train combiné arrive dans son propre secteur de décélération, synchronisé avec l'arrivée du faisceau principal. L'utilisation de klystrons à basse fréquence (1 GHz) et à longue durée d'impulsion (148 μs) pour accélérer le faisceau d'entraînement et la recombinaison du faisceau rend l'accélération du faisceau principal plus pratique que l'utilisation de klystrons.

Les principaux défis technologiques de la conception de l'accélérateur CLIC ont été relevés avec succès dans diverses installations de test. La production et la recombinaison du faisceau d'entraînement et le concept d'accélération à deux faisceaux ont été démontrés au CLIC Test Facility 3 (CTF3) . Des sources RF à base de klystron haute puissance en bande X ont été construites par étapes au CERN, l'installation de test à gradient élevé en bande X (XBOX). Ces installations fournissent la puissance RF et l'infrastructure nécessaires au conditionnement et à la vérification des performances des structures accélératrices CLIC et d'autres projets basés sur la bande X. Des tests supplémentaires à gradient élevé en bande X sont en cours dans l'installation NEXTEF du KEK et du SLAC , un nouveau banc d'essai est en cours de mise en service à l'université de Tsinghua et d'autres bancs d'essai sont en cours de construction à l'INFN Frascati et au SINAP à Shanghai.

Un détecteur de pointe est essentiel pour exploiter tout le potentiel physique du CLIC. La conception actuelle du détecteur, appelé CLICdet, a été optimisée via des études de simulation complètes et des activités de R&D. Le détecteur suit la conception standard des grands détecteurs de particules des collisionneurs à haute énergie : un volume de détecteur cylindrique avec une configuration en couches, entourant l'axe du faisceau. CLICdet aurait des dimensions d'environ 13 × 12 m (hauteur × longueur) et pèserait environ 8 000 tonnes.

CLICdet se compose de quatre couches principales de rayons croissants : vertex et système de suivi, calorimètres , aimant solénoïde et détecteur de muons .

Le système de vertex et de suivi est situé dans la région la plus interne du CLICdet et vise à détecter la position et l'impulsion des particules avec un impact négatif minimal sur leur énergie et leur trajectoire . Le détecteur de vertex est cylindrique avec trois doubles couches de matériaux de détection à rayons croissants et possède trois disques segmentés à chaque extrémité dans une configuration en spirale pour faciliter le refroidissement du flux d'air. On suppose qu'ils sont constitués de pixels en silicium de 25x25 μm2 d'une épaisseur de 50 μm, et l'objectif est d'avoir une résolution de point unique de 3 μm. Le système de suivi est constitué de modules de capteurs en silicium qui devraient avoir une épaisseur de 200 μm.

Les calorimètres entourent le vertex et le système de suivi et visent à mesurer l'énergie des particules par absorption. Le calorimètre électromagnétique (ECAL) se compose d'environ 40 couches de silicium/tungstène dans une structure sandwich ; le calorimètre hadronique (HCAL) possède 60 plaques absorbantes en acier avec un matériau scintillant inséré entre elles.

Ces couches internes de CLICdet sont enfermées dans un aimant solénoïde supraconducteur avec une intensité de champ de 4 T. Ce champ magnétique courbe les particules chargées, ce qui permet de mesurer l'impulsion et la charge . L'aimant est ensuite entouré d'une culasse en fer qui contiendrait des détecteurs de grande surface pour l'identification des muons.

Le détecteur dispose également d'un calorimètre de luminosité (LumiCal) pour mesurer les produits des événements de diffusion Bhabha , d'un calorimètre à faisceau pour compléter la couverture ECAL jusqu'à un angle polaire de 10 mrads et d'un système de rétroaction intra-train pour contrer la perte de luminosité due aux décalages relatifs faisceau-faisceau.

Les exigences strictes concernant le budget matériel pour le vertex et le système de suivi ne permettent pas l'utilisation de systèmes de refroidissement liquide conventionnels pour CLICdet. Par conséquent, il est proposé d'utiliser un système de refroidissement à gaz sec pour cette région interne. Des entrefers ont été pris en compte dans la conception du détecteur pour permettre l'écoulement du gaz , qui sera de l'air ou de l'azote . Pour permettre un refroidissement efficace de l'air, la consommation d'énergie moyenne des capteurs en silicium du détecteur de vertex doit être réduite. Par conséquent, ces capteurs fonctionneront via un schéma d'impulsions de puissance basé sur le courant : en commutant les capteurs d'un état de consommation d'énergie élevée à faible chaque fois que possible, correspondant au taux de croisement des trains de paquets de 50 Hz.

En 2017 , environ 2 % du budget annuel du CERN est investi dans le développement des technologies CLIC. La première étape du CLIC, d'une longueur d'environ 11 km, est actuellement estimée à six milliards de francs suisses. CLIC est un projet mondial impliquant plus de 70 instituts dans plus de 30 pays. Il se compose de deux collaborations : la collaboration sur les détecteurs et la physique du CLIC (CLICdp) et l'étude de l'accélérateur CLIC. CLIC est actuellement en phase de développement et mène des études de performance sur les pièces et les systèmes de l'accélérateur, des études sur la technologie des détecteurs et leur optimisation, ainsi que des analyses physiques. En parallèle, les collaborations travaillent avec la communauté théorique pour évaluer le potentiel physique du CLIC.

Le projet CLIC a soumis deux documents concis en guise de contribution à la prochaine mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules (ESPP), résumant le potentiel physique du CLIC ainsi que l'état d'avancement des projets d'accélérateurs et de détecteurs du CLIC. La mise à jour de l'ESPP est un processus à l'échelle de la communauté, qui devrait s'achever en mai 2020 avec la publication d'un document de stratégie.

Des informations détaillées sur le projet CLIC sont disponibles dans les rapports jaunes du CERN, sur le potentiel du CLIC pour la nouvelle physique, sur le plan de mise en œuvre du projet CLIC et sur les technologies de détection pour le CLIC. Un aperçu est fourni dans le rapport de synthèse CLIC 2018.