Ébullition à l'approche du zéro

“Grand frisson sur le CERN”. Ce pourrait être le titre d’une fiction à sensations. C’est juste une réalité sensationnelle. Début avril, un secteur de 3,3 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a été refroidi à -271°C. C’est juste deux petits degrés au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse possible, et c’est plus froid que l’espace intersidéral ! Le secteur 7-8 (un huitième de l’accélérateur) devient ainsi la plus grande installation supraconductrice du monde refroidie à l’hélium superfluide.

Cette performance en prépare une plus importante encore, le démarrage du LHC. Cet accélérateur, qui sera le plus puissant au monde, doit répondre à des questions fondamentales sur les constituants élémentaires de la matière, les forces qui les relient et l’évolution de l’Univers.

La totalité de l’anneau de 27 kilomètres du LHC doit être refroidi à cette température plus que glaciale afin que les aimants qui forment l’accélérateur puissent fonctionner à l’état supraconducteur. Ils généreront ainsi un champ magnétique assez puissant pour guider et focaliser les faisceaux de protons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière. Pour y parvenir, les quelque 1740 aimants supraconducteurs de l’accélérateur seront refroidis par un « congélateur » inédit.

Ce système cryogénique a été partiellement mis en service avec le refroidissement du secteur 7-8 réalisé en trois temps. Le secteur de 4700 tonnes a d’abord été refroidi à l’aide de 1200 tonnes d’azote liquide jusqu’à 80 K (‑193°C). À cette température, la contraction des matériaux par le froid atteint 90% de la contraction finale, soit une perte de 3 millimètres par mètre pour les structures métalliques. Sur l’ensemble des 3,3 km du secteur la contraction totale atteint près de 10 mètres ! Des équipements comme des soufflets installés entre les aimants permettent de compenser ce phénomène. La deuxième phase a permis de refroidir le secteur à 4,5 K à l’aide de gigantesques réfrigérateurs et de 15 tonnes d’hélium liquide.

Diagramme de température des aimants sur le secteur 7-8 durant le refroidissement

Mais ce sont les trois derniers degrés qui sont les plus difficiles à grignoter. Au cours de la dernière phase du refroidissement, un système de pompage complexe est appliqué sur le bain d’hélium en ébullition. À 4,5 K (‑269°C) et à pression atmosphérique, l’hélium est en effet proche de sa température d’ébullition à laquelle il passe de l’état gazeux à l’état liquide. Le système de pompage permet d’abaisser la pression de 1000 millibars (pression atmosphérique) à seulement 15 millibars. La température décroissant avec la pression, les aimants sont ainsi refroidis à 1,9 K (‑271°C). À cette température, l’hélium devient superfluide. Il présente alors d’étonnantes propriétés : il s’écoule quasiment sans viscosité et accroît la capacité de transfert de chaleur.

Les sept autres secteurs du LHC vont être mis en service dans les mois qui suivent, atteignant à leur tour les profondeurs thermiques.

24 avril 2007