La troisième période d’exploitation a bien démarré en juillet dernier, avec des collisions proton-proton à l’énergie record de 13,6 téraélectronvolts (TeV). Après une attente de quatre ans, c’était au tour des noyaux de plomb de circuler dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) vendredi 18 novembre. Les noyaux de plomb sont constitués de 208 nucléons (protons et neutrons) et sont utilisés au LHC pour étudier le plasma de quarks et de gluons, l’état de la matière dans lequel les composants élémentaires, à savoir les quarks et les gluons, au lieu d’être confinés à l’intérieur des nucléons, peuvent se déplacer librement et interagir en dehors de la zone où ils se trouvent normalement limités.
Lors du test effectué le 18 novembre, des noyaux de plomb ont été accélérés à l’énergie inédite de 5,36 TeV par collision nucléon-nucléon1. C’est une étape clé dans la préparation de la campagne de physique avec collisions plomb-plomb, prévue pour 2023 et les années suivantes dans le cadre des troisième et quatrième périodes d’exploitation du LHC.
Afin de préparer le doublement de l’intensité totale des faisceaux d’ions de plomb pour le LHC à haute luminosité, le complexe d’injecteurs d’ions du CERN a bénéficié d’une série d’améliorations. Les équipes ont recours à une technique de « superposition par glissement » (momentum slip-stacking), qui sera utilisée dans le Supersynchrotron à protons (SPS). Cette technique consiste à utiliser deux lots de quatre paquets d'ions de plomb espacés de 100 nanosecondes afin de produire un groupe unique de 8 paquets de plomb espacés de 50 nanosecondes. Cela permettra d’augmenter le nombre total de paquets injectés au LHC, passant de 648 lors de la deuxième période d’exploitation à 1 248 lors de la troisième période d’exploitation et des périodes suivantes. Une fois toutes les améliorations achevées, le LHC fournira un nombre de collisions d’ions lourds dix fois supérieur à celui des précédentes périodes d’exploitation.
Ce test représente également une étape clé pour l’expérience ALICE, qui est l’expérience LHC spécialisée dans l’étude des collisions d’ions de plomb. L’installation ALICE a fait l’objet d’une mise à niveau lors du récent arrêt technique du LHC, et comporte maintenant plusieurs détecteurs totalement nouveaux ou grandement améliorés, ainsi que de nouveaux moyens matériels et logiciels destinés au traitement des données. Les nouveaux détecteurs fournissent une résolution spatiale plus élevée pour la reconstitution des trajectoires et la mesure des propriétés des particules produites lors des collisions. En outre, l’amélioration du dispositif et de la chaîne de traitement permet d’enregistrer l’intégralité des informations sur les collisions à une cadence supérieure de deux ordres de grandeur.
Grâce à la campagne de tests, les autres expériences ont pu procéder à la mise en service de sous-systèmes améliorés et récemment installés dans le nouvel environnement des faisceaux d’ions lourds comportant un niveau d’énergie plus élevé et un espacement de 50 ns entre les paquets. La collaboration ATLAS a testé les améliorations dans son logiciel de sélection (système de déclenchement) visant à améliorer la collecte de données pour la physique des ions lourds lors de la troisième période d’exploitation. Les scientifiques ont notamment testé un nouveau système de déclenchement capable d’identifier une plus large gamme de « collisions ultra-périphériques ». L’expérience CMS a amélioré plusieurs composants de ses chaînes de systèmes de lecture, d’acquisition de données, de déclenchement et de reconstruction afin d’exploiter pleinement les collisions plomb-plomb à haute énergie. Les remplissages plomb-plomb du LHC ont permis à l’expérience CMS de mettre en service l’intégralité du système de faisceaux et de repérer les points à améliorer pour les exploitations d’ions lourds de 2023. LHCb a commencé la mise en service de son tout nouveau détecteur dans les conditions exigeantes que représentent les collisions plomb-plomb, caractérisées par une très grande multiplicité de particules. Outre les collisions plomb-plomb, LHCb a observé des collisions plomb-argon en mode cible fixe à l’aide du nouveau système SMOG2. Ce système est unique à cette expérience et vise à injecter des gaz nobles dans la zone de collision du détecteur.
Même s’il a été très court, on peut dire que le programme de collisions plomb-plomb de 2022 a été une réussite pour l’accélérateur LHC, les expériences et le complexe d’injecteurs d’ions lourds du CERN. Les quatre grands détecteurs du LHC ont observé et enregistré pour la première fois des collisions plomb-plomb à une énergie record. Les équipes scientifiques attendent avec impatience la campagne de physique des ions lourds de 2023 et des années à venir.