Le CERN partage le savoir sur les tubes de faisceau

La détection directe des ondes gravitationnelles en 2015 a ouvert une nouvelle fenêtre sur l'univers, permettant aux chercheurs d'étudier le cosmos en fusionnant des données provenant de plusieurs sources. Il y a actuellement quatre télescopes à ondes gravitationnelles (GWT) en fonctionnement : LIGO sur deux sites aux États-Unis, Virgo en Italie, KAGRA au Japon et GEO600 en Allemagne. Des discussions sont en cours pour établir un site supplémentaire en Inde. La détection des ondes gravitationnelles est basée sur l'interférométrie laser de Michelson avec des cavités de Fabry-Pérot, qui révèle l'expansion et la contraction de l'espace à l'échelle des dix millièmes de la taille d'un noyau atomique, soit 10-19 m. Malgré la contrainte extrêmement faible qui doit être détectée, une moyenne d'une onde gravitationnelle est mesurée par semaine de mesure en étudiant et en minimisant toutes les sources de bruit possibles, y compris les vibrations sismiques et la diffusion des gaz résiduels. Ce dernier est réduit en plaçant l'interféromètre dans un tuyau où l'ultravide est généré. Dans le cas de Virgo, le vide à l'intérieur des deux bras perpendiculaires de 3 km de l'interféromètre est inférieur à 10-9 mbar.

Alors que les installations actuelles sont exploitées et mises à niveau, la communauté des ondes gravitationnelles se concentre également sur une nouvelle génération de GWT qui offriront une sensibilité encore meilleure. Ceci serait réalisé par des bras d'interféromètre plus longs, ainsi qu'une réduction drastique du bruit qui pourrait nécessiter un refroidissement cryogénique des miroirs. Les deux principales études sont le télescope Einstein (ET) en Europe et le Cosmic Explorer (CE) aux États-Unis. La longueur totale des enceintes à vide envisagées pour les interféromètres ET et CE est respectivement de 120 km et 160 km, avec un diamètre de tube de 1 à 1,2 m. Les pressions de fonctionnement requises sont typiques de celles requises pour les accélérateurs modernes (c'est-à-dire de l'ordre de 10-10 mbar pour l'hydrogène et même plus bas pour d'autres espèces de gaz). La prochaine génération de GWT représenterait donc les plus grands systèmes d'ultravide jamais construits.

La prochaine génération de télescopes à ondes gravitationnelles représenterait les plus grands systèmes d'ultravide jamais construits.

La production de ces pressions n'est pas difficile, car les systèmes de vide actuels des interféromètres GWT ont un degré de vide comparable. Au lieu de cela, le défi est le coût. En effet, si les solutions de la génération précédente étaient adoptées, le système de tuyauterie sous vide représenterait la moitié du coût estimé de CE et pas loin d'un tiers de ET, qui est dominé par le génie civil souterrain. La réduction du coût des systèmes de vide nécessite le développement d'approches techniques différentes par rapport aux installations de génération précédente. Développer des technologies moins chères est également un sujet clé pour les futurs accélérateurs et une synergie en termes de méthodes de fabrication, de traitements de surface et de procédures d'installation est déjà visible.

Dans un cadre officiel entre le CERN et les instituts principaux de l'étude ET - Nikhef aux Pays-Bas et INFN en Italie - les groupes TE-VSC et EN-MME du CERN partagent leur expertise dans le vide, les matériaux, la fabrication et les traitements de surface avec la communauté des ondes gravitationnelles. L'activité a débuté en septembre 2022 et devrait s'achever fin 2025 par un rapport de conception technique et un test complet d'un secteur pilote de cuve à vide. Lors de l'atelier "Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023", qui s'est tenu au CERN du 27 au 29 mars, 85 spécialistes de différentes communautés englobant les technologies des accélérateurs et des ondes gravitationnelles et d'entreprises qui se concentrent sur la production d'acier, la fabrication de tuyaux et les équipements de vide se sont réunis pour discuter des derniers progrès. L'événement faisait suite à un événement similaire organisé par LIGO Livingston en 2019, qui a donné des orientations importantes pour les sujets de recherche.

Tracer un parcours Dans une série de contributions introductives, les éléments théoriques de base concernant les exigences de vide et l'état des études CE et ET ont été présentés, mettant en évidence les initiatives dans les technologies du vide et des matériaux entreprises en Europe et aux États-Unis. La description détaillée des systèmes de vide GWT actuels a servi de point de départ pour les présentations des développements en cours. Pour effectuer une analyse et une réduction efficaces des coûts, l'ensemble du processus doit être pris en compte, y compris la production et le traitement des matières premières, la fabrication, le traitement de surface, la logistique, l'installation et la mise en service dans le tunnel. Par ailleurs, les interfaces avec les zones expérimentales et les autres services tels que le génie civil, la distribution électrique et la ventilation sont indispensables pour évaluer l'impact des choix technologiques sur les conduites de vide.

Les critères de sélection des matériaux de structure du tuyau ont été discutés, l'acier étant actuellement le matériau de choix. Les aciers ferritiques contribueraient à une réduction significative des coûts par rapport à l'acier austénitique, qui est actuellement utilisé dans les accélérateurs, car ils ne contiennent pas de nickel. De plus, grâce à leur structure cristallographique cubique centrée, les aciers ferritiques ont une teneur beaucoup plus faible en hydrogène résiduel - le premier ennemi pour atteindre l'ultravide - et ne nécessitent donc pas de coûteux traitements de dégazage à l'état solide. Les aciers ferritiques les moins chers sont les « aciers doux » qui sont des matériaux courants dans les gazoducs après traitement contre la corrosion. Les aciers inoxydables ferritiques, qui contiennent plus de 12 % en poids de chrome dissous, sont également à l'étude pour des applications GWT. Si les premiers résultats sont encourageants, les propriétés magnétiques de ces matériaux doivent être prises en compte pour éviter une transmission anormale des signaux électromagnétiques et des vibrations mécaniques induites.

Quatre solutions concernant la conception et la fabrication des tuyaux et de leur système de support ont été discutées lors de l'atelier de mars. La ligne de base est un tube de 3 à 4 mm d'épaisseur similaire à ceux en service dans Virgo et LIGO, avec quelques modifications pour faire face au nouvel environnement du tunnel et à des exigences de sensibilité plus strictes. Une autre option est une cuve ondulée de 1 à 1,5 mm d'épaisseur qui ne nécessite pas de renfort et de soufflet de dilatation. De plus, des conceptions basées sur des tuyaux à double paroi ont été discutées, la paroi intérieure étant mince et facile à chauffer et la paroi extérieure jouant le rôle structurel. Un vide d'isolation serait généré entre les deux parois sans les exigences de propreté et de pression imposées au vide du faisceau laser. Les forces agissant sur la paroi interne lors des transitoires de pression seraient minimisées en ouvrant des vannes à mouvement axial, qui ne sont pas encore entièrement conçues. Enfin, une solution de gazoduc a également été envisagée, qui serait produite par une paroi d'un demi-pouce d'épaisseur en acier doux. Le principal avantage de cette solution est son coût relativement faible, car il s'agit d'une approche standard utilisée dans l'industrie pétrolière et gazière. Cependant, la protection contre la corrosion et les besoins en ultra-vide nécessiteraient un traitement de surface des deux côtés des parois du tuyau. Ces traitements sont actuellement à l'étude. Pour tous les types de conception, l'intégration de déflecteurs optiques (qui fournissent une réduction intermittente de l'ouverture du tuyau pour bloquer les photons diffusés) est un sujet d'étude intense, avec des options pour la position, le matériau, le traitement de surface et l'installation signalées. Le transfert des vibrations de la structure du tunnel à la chicane est également un autre sujet d'actualité.

La fabrication des tuyaux directement à partir de bobines métalliques et leur traitement de surface peuvent être effectués chez le fournisseur ou directement sur le site d'installation. La première approche réduirait le coût des infrastructures et de la main-d'œuvre, tandis que la seconde réduirait les coûts de transport et offrirait un degré de liberté supplémentaire à la logistique globale car la zone de stockage serait minimisée. L'étude de la production in-situ a été poussée à son paroxysme dans une étude conceptuelle d'un procédé qui à partir d'un serpentin pouvait délivrer des tuyaux aussi longs que souhaités directement dans les zones souterraines : le serpentin métallique arrive dans le tunnel ; puis il est installé dans une machine dédiée qui déroule la bobine et soude la tôle métallique pour former le tuyau à n'importe quelle longueur.

Ces sujets feront l'objet de développements supplémentaires dans les mois à venir et les résultats seront intégrés dans un rapport de conception technique complet. Ce rapport comprendra une optimisation détaillée des coûts et sera validé dans un secteur pilote au CERN. Alors qu'il reste un peu moins de deux ans et demi au projet, sa réussite exigera un effort conséquent et une motivation résolue. L'optimisme insufflé par l'enthousiasme et l'approche collaborative démontrés par tous les participants à l'atelier est donc très encourageant.