Rejoint

Le CERN abrite un centre d'excellence unique dans les domaines de la science, de la technologie et de l'ingénierie du vide. Paolo Chiggiato et Luigi Scibile expliquent comment cette expertise collective est mise à profit dans le cadre de l'effort international visant à développer la prochaine génération de télescopes à ondes gravitationnelles.

La première détection d'ondes gravitationnelles en 2015 confirme la prédiction d'Einstein dans sa théorie de la relativité générale et représente l'une des étapes les plus importantes de la physique contemporaine. De plus, l’observation directe des ondulations gravitationnelles dans la structure de l’espace-temps a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’univers qui permet aux astronomes d’étudier des événements cataclysmiques tels que les collisions de trous noirs, les supernovae et la fusion d’étoiles à neutrons. L’espoir est qu’au fil du temps, les ensembles de données cosmologiques émergents fourniront des informations uniques permettant de résoudre des problèmes fondamentaux en physique et en astrophysique – la répartition de la matière dans l’univers primitif, par exemple, et la recherche de matière noire et d’énergie noire.

En revanche, un programme tout à fait plus terre-à-terre – Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023 – a servi de toile de fond à un atelier de trois jours organisé au CERN fin mars. Axé sur les technologies habilitantes pour les observatoires d'ondes gravitationnelles actuels et futurs - en particulier, leurs exigences en matière de tubes de faisceau sous ultra-vide (UHV) - l'atelier a attiré un public interdisciplinaire de 85 spécialistes issus des communautés des accélérateurs de particules et des ondes gravitationnelles aux côtés d'experts de l'industrie. couvrant la production d’acier, la fabrication de tubes et les technologies du vide (Courrier CERN juillet/août 2023 p18).

Si l’emplacement est primordial, Genève coche toutes les cases à cet égard. Avec plus de 125 km de tubes de faisceau et de lignes de transfert d'hélium liquide, le CERN abrite l'un des plus grands systèmes de vide au monde – et certainement le plus long et le plus sophistiqué en termes d'accélérateurs de particules. Tout cela a permis une série de résultats d'ateliers façonnés par l'ouverture, l'encouragement et la collaboration, les départements de technologie et d'ingénierie du CERN partageant de manière proactive leur expertise en matière de science du vide, de traitement des matériaux, de fabrication avancée et de traitement de surface avec leurs homologues de la communauté des ondes gravitationnelles.

Toutefois, pour replacer tout ce partage de connaissances dans son contexte, il est nécessaire de revisiter les bases de la métrologie des ondes gravitationnelles. Le principal moyen de détecter les ondes gravitationnelles consiste à utiliser un interféromètre laser composé de deux bras perpendiculaires, longs chacun de plusieurs kilomètres et disposés en forme de L. À l'intersection du L, les faisceaux laser des deux branches interagissent, après quoi le signal d'interférence résultant est capturé par des photodétecteurs. Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse la Terre, elle induit des changements de longueur différentiels dans les bras de l'interféromètre, de sorte que les faisceaux laser traversant les deux bras subissent des longueurs de trajet différentes, ce qui entraîne un déphasage et des modifications correspondantes de leur modèle d'interférence.

La base des études de conception des tubes de faisceau du télescope Einstein est l'expérience sur les ondes gravitationnelles de la Vierge. Le tube de faisceau de ce dernier – qui est en acier inoxydable austénitique (AISI 304L) – est constitué d'une paroi de 4 mm d'épaisseur renforcée par des anneaux de raidissement et équipée d'un soufflet d'expansion (pour absorber les chocs et les vibrations).

Bien que l'acier reste le matériau de choix pour le tube de faisceau du télescope Einstein, d'autres qualités autres que l'AISI 304L sont à l'étude. Les aciers ferritiques, par exemple, peuvent contribuer à une réduction significative des coûts par unité de masse par rapport à l'acier inoxydable austénitique, qui contient du nickel. La ferrite possède également une structure cristallographique cubique centrée qui entraîne des niveaux d'hydrogène résiduel inférieurs à ceux de l'austénite cubique à faces centrées - une caractéristique qui élimine le besoin de traitements coûteux de dégazage à l'état solide lors du pompage jusqu'à l'UHV.

Les options actuellement proposées incluent les aciers ferritiques les moins chers, appelés « aciers doux », qui sont utilisés dans les gazoducs après avoir subi un traitement de corrosion, ainsi que les aciers inoxydables ferritiques contenant plus de 12 % de chrome en poids. Si les premiers résultats avec ces derniers sont réellement prometteurs, la déformation plastique des joints soudés reste un sujet ouvert, tandis que les propriétés magnétiques de ces matériaux doivent également être prises en compte pour éviter la transmission anormale des signaux électromagnétiques et les vibrations mécaniques induites.