Comment l’impression 3D aide le CERN à moderniser la plus grande machine du monde

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Comment l'impression 3D aide le CERN à moderniser la plus grande machine du monde

Depuis cinq ans, Antonio Pellegrino travaille sous haute pression : le scientifique dirige une mise à niveau du plus grand et du plus puissant accélérateur de particules jamais construit, qui se trouve à 100 mètres sous la frontière franco-suisse, hébergé au sein de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN).

Communément baptisée “grand collisionneur de hadrons” (LHC), cette infrastructure se compose d’un anneau de 27 kilomètres de long, dans lequel des particules telles que des protons et des électrons sont projetées les unes contre les autres à grande vitesse, recréant ainsi les conditions qui existaient un centième de milliardième de seconde après le Big Bang. De quoi permettre aux scientifiques modernes de l’observer grâce à divers détecteurs de haute précision qui se trouvent à l’intérieur de l’accélérateur.

Mis en service en 2008, le LHC a été mis en pause en 2015 pour permettre aux ingénieurs et aux médecins de trouver des moyens d’améliorer la précision des détecteurs de l’accélérateur. L’objectif final ? Rien de moins que de comprendre la matière et d’avoir une meilleure idée des origines de l’univers.

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D’abord une option, ensuite une solution

Pour ce faire, Antonio Pellegrino s’est tourné vers une technologie actuellement utilisée pour concevoir des produits allant de l’alimentation et la mode aux cellules humaines : l’impression 3D. Grâce à un partenariat avec la société technologique 3D Systems, certaines parties du LHC sont sorties d’imprimantes 3D, dans le cadre de la conception du système de refroidissement des détecteurs de l’accélérateur. Les pièces imprimées peuvent répondre à des exigences strictes en matière de finesse des composants sans compromettre la résilience, conditions qu’il aurait été pratiquement impossible de remplir avec les procédés manuels traditionnels.

« Une combinaison intéressante de problèmes nous a conduit à opter pour l’impression en 3D », raconte le scientifique à ZDNet. « Nous avons passé deux ans à essayer de construire un prototype qui correspondait à nos exigences, pour nous rendre compte ensuite qu’il était tout simplement trop laborieux et pas assez reproductible. C’est alors que nous avons commencé à penser que l’impression 3D pourrait peut-être être une option pour nous », explique ce dernier.

D’abord envisagée comme une option parmi d’autres, l’impression 3D a rapidement été érigée au rang de solution. Les imprimantes de 3D Systems ont été utilisées avec succès pour produire des barres de titane extrêmement légères, d’une largeur de 1,6 millimètres et d’une épaisseur de 0,1 millimètre. Les barres seront montées sur les détecteurs et serviront à refroidir le système jusqu’à -40°C, afin de s’assurer que les résultats ne sont pas altérés par des perturbations thermiques.

Comprendre le ballet de la matière

Les travaux d’Antonio Pellegrino se concentrent en particulier sur un type spécifique de détecteurs du LHC, utilisés pour une étude appelée “Large Hadron Collider beauty” (LHCb). Les recherches portent sur un type de particule appelé “quark bottom”, afin de comprendre les différences entre la matière et son mystérieux homologue, l’antimatière – les antiparticules qui existaient aux côtés des particules aux temps primordiaux de l’univers, et qui sont aujourd’hui strictement produites dans les confins des laboratoires spécialisés.

« La matière et l’antimatière ont commencé sur un pied d’égalité, mais aujourd’hui, nous n’en avons qu’un seul type. Alors où est passée l’autre ? », s’interroge le scientifique. Pour répondre précisément à cette question, le LHC produit des milliards de particules de quarks bottom, ainsi que leur équivalent antimatière, les quarks anti-bottom, qui étaient tous deux courants au lendemain du Big Bang. Le rôle des détecteurs du LHCb, en termes simples, consiste à enregistrer l’intéressante chorégraphie des particules qui se produit au moment où les quarks bottom et les quarks anti-bottom sont produits et se désintègrent à leur tour à l’intérieur du LHC.

Les quarks sont instables et de courte durée : en un clin d’œil, ils se désintègrent en d’autres particules. L’observation de ce processus pourrait donner aux scientifiques des indices sur les raisons pour lesquelles la matière semble avoir triomphé de l’antimatière – et à long terme, une meilleure compréhension de la création de l’univers.

Analyse fine exigée

« La différence entre le comportement de la matière et de l’antimatière est si minime que pour l’observer, il faut des instruments de plus en plus performants », explique Antonio Pellegrino. « Pour cela, nous voulons construire un meilleur détecteur. On peut le considérer comme une photographie – on veut voir des images de plus en plus nettes. C’est de cela qu’il s’agit. C’est en fin de compte la raison pour laquelle nous avons entrepris cette énorme mise à niveau technologique. »

Le détecteur de l’expérience LHBc fonctionne en fait comme un appareil photo très coûteux, explique Antonio Pellegrino. Constitué de fibres optiques très fines et longues, le détecteur réagit lorsqu’il interagit avec des particules, en émettant des photons qui sont ensuite transformés en signaux électriques grâce à des photomultiplicateurs en silicium. « Un transistor détecte la lumière, comme un appareil photo qui prend une photo », indique encore le chercheur.

« Le problème est que les photos de nos particules sont incroyablement faibles, et doivent être amplifiées. Ce processus d’amplification agrandit votre image, mais aussi votre arrière-plan indésirable », poursuit-il. Comme les particules entrent en collision à grande vitesse à l’intérieur du LHC, cet arrière-plan indésirable peut rapidement devenir assez encombrant – mais le refroidissement du système s’est avéré extrêmement efficace pour réduire le bruit qui peut gêner les observations des scientifiques. « C’est pourquoi nous devons refroidir notre caméra à -40°C », explique le scientifique.

Sortir des recettes “maison”

Refroidir les délicates fibres de 0,25 mm de large qui constituent les capteurs des détecteurs n’est assurément pas une tâche facile. Pour la mener à bien, l’équipe du CERN a décidé de monter les fibres sur des barres de refroidissement spécialement conçues à cet effet. Ces barres doivent tenir dans un espace incroyablement limité et distribuer la température de manière uniforme et avec une grande précision, tout au long de l’étroite bande de détection, qui couvre au total 150 mètres. Les composants doivent également être parfaitement plats pour que le détecteur puisse obtenir des images de haute résolution.

Plus important encore, les barres doivent être minces – d’une fraction de millimètre. En effet, pour une efficacité maximale, le moins de matériau possible doit séparer le liquide de refroidissement et la surface à refroidir.

« Faire cela avec des procédures faites maison était en principe possible », indique Antonio Pellegrino. « Nous avons passé deux ans à fraiser des barres de cuivre faites sur-mesure, auxquelles nous avons soudé des tuyaux de refroidissement flexibles à parois minces. Mais l’ensemble du processus était extrêmement laborieux. Lorsque nous avons réalisé qu’il nous faudrait le répéter environ 300 fois pour terminer le travail, nous avons réalisé que nous n’avions pas assez de main-d’œuvre ou d’argent. »

Une option “tout-en-un”

C’est ce qui a poussé le scientifique à prendre contact avec 3D Systems. Il est rapidement apparu que la technologie de l’impression 3D offrait une solution appropriée : après avoir essayé de construire les composants avec des procédés manuels à forte intensité de main-d’œuvre et en silo, l’impression 3D semblait être une option “tout-en-un”.

Cela ne veut pas dire que Thomas Verelst, ingénieur d’application chez 3D Systems, a été épargné par les longues journées de planification et de conception des composants. Le CERN exigeait que les barres soient à la fois extrêmement fines et parfaitement plates, tout en ne présentant aucun risque de fuite. « Nous avons dû passer par quelques cycles, qui ont tous montré que la planéité n’était pas vraiment atteinte », explique l’ingénieur à ZDNet.

Lorsque deux couches du produit sont imprimées et assemblées, par exemple, un léger rétrécissement se produit généralement au niveau de la section de jonction. Pour compenser ce retrait, le scientifique a dû procéder à une ingénierie inverse du processus et calculer comment compenser la déviation des dessins originaux. Son équipe a testé une série d’options différentes, en essayant plusieurs orientations et angles, et même en imprimant les pièces dos à dos, dans un miroir, pour augmenter la stabilité pendant l’impression.

Cap sur 2022

« La réalisation de la planéité est celle qui a pris le plus de temps. C’était beaucoup d’essais et d’erreurs, et nous avons fait quelques tirages avant que ce soit bon. Mais le résultat final a été une surface propre », explique Thomas Verelst. Ce dernier a finalement trouvé la combinaison gagnante : imprimer la barre froide finale comme un ensemble de composants A et B en miroir, qui sont soudés ensemble pour former une pièce complète. Antonio Pellegrino est maintenant assis sur 600 composants prêts à être assemblés, chacun d’entre eux ayant été soumis à des tests de stress approfondis et devant durer au moins 10 ans.

Ce que Thomas Verelst a trouvé être un projet d’impression passionnant, bien que difficile, a également été une source de pression énorme pour l’équipe du CERN. Au cours des 13 années d’existence du LHC, l’impression 3D n’avait jamais été utilisée pour construire un quelconque composant. Après avoir dû faire face au scepticisme d’une communauté scientifique plus large qui, par nature, se méfie des technologies non testées, le scientifique a également dû gérer la possibilité d’un échec provenant d’une nouvelle méthode non testée.

Plusieurs panels au sein du CERN ont examiné la suggestion du scientifique avant de donner finalement le feu vert à l’impression 3D. « Ils voulaient que nous montrions que cela pouvait vraiment marcher », explique ce dernier.

« Parce qu’une fois que ces dispositifs sont intégrés dans l’expérience, ils ne peuvent plus être retirés. Chaque point est un point d’échec potentiel, et l’hypothèse par défaut est qu’il va mal tourner. » Antonio Pellegrino et Thomas Verelst se sont donc engagés dans un programme d’essais rigoureux pour s’assurer que les pièces imprimées fonctionneraient comme il se doit, maintenant et durant la prochaine décennie. « En fin de compte, la proposition a été acceptée, et elle a intérêt à fonctionner, car les 10 années sont encore devant nous », souligne Antonio Pellegrino. « Mais je pense que nous avons rempli notre mission. »

Il est juste de dire que la partie la plus difficile du programme est maintenant terminée, selon le physicien. Les barres de refroidissement assemblées seront soumises à d’autres tests, par lots, au cours des prochains mois, et d’ici la fin de l’année. Elles seront enfin connectées à un grand réfrigérateur de refroidissement, prêt pour le démarrage de l’expérience LHBc. En 2022, sept ans après que le LHC ait été mis en attente pour la mise à niveau, le programme devrait être à nouveau opérationnel.

Source : ZDNet.com

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