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Avec ses fabuleuses propriétés, la supraconductivité est devenue une alliée précieuse de la physique des particules. Outre des aimants supraconducteurs pour guider les particules, les accélérateurs utilisent des cavités supraconductrices pour les accélérer. Lors de la conférence EUCAS 2017 sur les supraconducteurs et leurs applications qui se déroule cette semaine à Genève, de nombreuses présentations sont consacrées à cette question.
Une « cavité accélératrice radiofréquence » est grosso modo une enceinte métallique dans laquelle des ondes électromagnétiques vont générer un champ électrique. En traversant l’enceinte, les particules reçoivent une impulsion électrique. Par rapport aux cavités en cuivre traditionnelles, les cavités supraconductrices génèrent des champs électriques très élevés. Celles du Grand collisionneur de hadrons (LHC) par exemple affichent un champ électrique de cinq millions de volts par mètre.
Les premiers travaux sur les cavités supraconductrices pour la physique des particules remontent aux années 1960. Mais il fallut attendre les années 1980 pour qu’elles soient utilisées dans un accélérateur, le collisionneur d’électrons de l’Université de Cornell aux États-Unis. Parallèlement, les concepteurs du Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN planchaient sur la technologie afin de doubler l’énergie de la machine. La grande boucle de 27 kilomètres fut équipée de quelque 280 cavités qui permirent au LEP de dépasser les 200 GeV dans les années 1990. Le LHC est équipé de cavités semblables. Le tout nouveau synchrotron XFEL basé au laboratoire DESY en Allemagne est formé de pas moins de 800 cavités accélératrices qui ont bénéficié de travaux menés depuis les années 90 par la collaboration TESLA.
Aujourd’hui, les développements de nouvelles cavités supraconductrices se poursuivent notamment au CERN. Des cavités dites « crabe » y sont en cours de développement pour orienter les paquets de particules avant leurs collisions dans le LHC à haute luminosité. Ces cavités permettront un meilleur chevauchement des faisceaux afin d’augmenter la probabilité de collisions à chaque croisement, autrement dit la luminosité. Au Fermilab, au Laboratoire Cornell ou à SLAC aux États-Unis, de nouveaux revêtements sont par ailleurs à l’étude pour améliorer encore les performances.