DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) est une expérience phare internationale qui vise à percer, à partir de 2028, les mystères des neutrinos. Elle sera constituée d'une source intense de neutrinos au Fermilab, dans l'Illinois (États-Unis), et de deux ensembles de détecteurs de neutrinos, l'un à proximité immédiate de la source et l'autre, situé à des centaines de kilomètres de là, au laboratoire souterrain SURF (Sanford Underground Research Facility) dans le Dakota du Sud.

Un faisceau de protons inégalé, pour produire massivement des neutrinos

Les neutrinos de DUNE seront produits par un complexe d'accélérateurs dont la pièce maîtresse sera le nouvel accélérateur linéaire de protons du Fermilab, PIP-II. Long de 215 mètres, PIP-II fournira des protons à une énergie deux fois plus élevée (800 MeV) que le linac existant, grâce à des contributions technologiques majeures de partenaires internationaux, comme celles de l'Irfu dans le domaine des cavités radiofréquence supraconductrices et des technologies associées.

PIP-II est conçu pour être compatible avec une montée en puissance du faisceau de protons d'environ 18 kW (en régime pulsé, avec un cycle utile de 1,1 %) jusqu'à 2,4 MW (PIP-III), et, plus généralement, avec un fonctionnement en régime continu.

La conception par l'Irfu des cryomodules LB650 validée

En avril 2023, une revue finale de conception a validé le travail de cinq années de conception réalisé par une équipe de l'Irfu pour la fourniture de dix cryomodules pour la section accélératrice supraconductrice low-beta 650 MHz (LB650) dont l'un destiné à la pré-production. Ce jalon franchi, la fabrication du cryomodule de pré-production peut commencer.

Chaque cryomodule LB650 intègre quatre cavités supraconductrices fournies par l'INFN (Italie), les systèmes d'accord en fréquence et les coupleurs de puissance étant, quant à eux, fournis par Fermilab.

Les deux principales fonctions d'un cryomodule sont, d'une part, le refroidissement des cavités accélératrices à la température de l'hélium liquide superfluide et, d'autre part, leur tenue mécanique dans le respect des critères d'alignement du faisceau de protons. Or les contraintes mécaniques et thermiques sont très souvent en contradiction, ce qui oblige les concepteurs à des compromis.

• Les cavités sont supportées par un ensemble constitué de poteaux en titane et de supports en fibre de verre imprégné d'époxy, permettant d'isoler thermiquement les parties froides, et d'une structure mécanique qui a la particularité de rester à température ambiante. Ceci afin de garantier l'alignement du train de cavités lors du refroidissement du cryomodule.
• Étant sensibles au champ magnétique environnant, les cavités doivent être protégées par un blindage magnétique.
• Les cavités sont refroidies à l'aide d'une tuyauterie dans laquelle circule de l'hélium liquide (à 1,8 K soit -271,35°C), le tout étant inséré dans une enceinte à vide, afin de limiter les apports de chaleur par convection. Un écran thermique refroidi par de l'hélium gazeux (à 50 K soit -223,15°C) est interposé entre l'enceinte à vide et les cavités, afin de réduire les transferts thermiques par rayonnement.

En parallèle de ce travail réalisé en collaboration étroite avec les équipes du Fermilab, les équipes de l'Irfu préparent l'assemblage et les tests radiofréquence à froid des futurs cryomodules. Ceux-ci seront réalisés dans les infrastructures existantes de l'Irfu, utilisées actuellement par le projet de source européenne de neutrons ESS (European Spallation Source), et qui seront mises à niveau conformément aux critères du projet PIP-II.

L'assemblage du cryomodule de pré-production devrait commencer au dernier trimestre de 2024.

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