100 mètres sous terre

Analyse automatisée de l'air au CERN avec le terminal de distributeurs Festo VTSA

Au CERN, le plus grand laboratoire de recherche dédié à la physique des particules, des milliers de scientifiques résolvent les énigmes de la physique qui n'ont jusqu'alors pas encore de réponse. La technologie d'automatisation, utilisée avec intelligence et flexibilité, soutient efficacement la recherche scientifique. Par exemple, le terminal de distributeurs Festo VTSA contrôle les processus d'analyse de l'air d'expérimentation et de la caverne interne grâce au détecteur « Compact Muon Solenoid » (CMS).

Dans les profondeurs souterraines, près du lac Léman, des détecteurs géants montés sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) tamisent le flux de particules subatomiques et collectent des quantités gigantesques de données qu'évaluent des algorithmes puissants. Les technologies modernes rendent visible à grande échelle le ciment du cosmos tel que nous le connaissons à petite échelle.

L'existence de la matière

La découverte au CERN, en 2012, de la particule subatomique, le boson de Higgs, est un jalon dans l'histoire de la physique des particules. Les scientifiques Robert Brout, François Englert et Peter Higgs prédisaient son existence dans les années 1960 déjà. Selon le modèle standard de la physique en vigueur à l'époque, il ne pouvait à strictement parler pas avoir de masse. Les particules subatomiques étaient en fait censées se déplacer à la vitesse de la lumière. Par conséquent, elles ne devaient donc pas avoir de masse. Toutefois, les trois chercheurs ont développé la théorie du champ de Higgs. L'hypothèse est que le champ de Higgs ralentit les plus petites particules, comme le font de petites billes passant à travers le miel, et leur donne ainsi de l'inertie, et donc la masse. Et en effet, 50 ans plus tard, le moment est venu : au cours d'expériences effectuées dans le LHC, les protons ont été accélérés jusqu'à ce qu'ils atteignent presque la vitesse de la lumière et qu'ils entrent en collision les uns avec les autres. Les bosons de Higgs se sont détachés du champ de Higgs, ce qui a permis de les mesurer et donc de prouver leur existence. L'existence de la matière avait été prouvée. Higgs et Englert ont reçu le prix Nobel de physique pour leur théorie en 2013, Brout était décédé en 2011.

Le plus grand de son genre

Au CERN, la recherche est un travail scientifique dont les dimensions sont à couper le souffle. Fondé en 1954 et financé par 22 pays à hauteur de presque un milliard d'euros par an, le centre de recherche emploie aujourd'hui plus de 2 500 scientifiques. Plus de 12 000 scientifiques invités provenant du monde entier expérimentent au CERN. Le plus grand laboratoire de physique des particules au monde exploite plusieurs accélérateurs interconnectés qui fournissent différents types de particules pour diverses expériences. Il s'agit notamment de muons pour étudier la structure du proton, d'ions lourds pour créer de nouveaux états de matière et de faisceaux d'ions radioactifs pour observer des noyaux exotiques.

Le LHC est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant au monde. Il est situé à environ 100 mètres sous terre, dans un tunnel circulaire d'une circonférence d'environ 27 kilomètres. Le LHC utilise des champs électriques puissants pour transférer de l'énergie aux faisceaux de particules et guide les faisceaux à travers le système à l'aide de champs magnétiques. Les particules absorbent de plus en plus d'énergie d'accélération jusqu'à ce qu'elles tournent autour du LHC à presque la vitesse de la lumière, soit 11 245 fois par seconde. Si elles entrent en collision, quatre détecteurs géants (CMS, ATLAS, ALICE et LHCb) enregistrent ce qui se passe.

La sécurité a toujours la priorité

Le détecteur CMS est un appareil de détection technologiquement avancé d'une longueur de 21 mètres, d'un diamètre de 15 mètres et d'un poids de 12 500 tonnes. Composé de 100 millions d'éléments de mesure individuels, il effectue jusqu'à 40 millions de mesures par seconde et est considéré comme l'un des instruments scientifiques les plus complexes et précis jamais construits. Pour éviter les erreurs de mesure, tous les facteurs d'influence doivent respecter des tolérances définies.

Ces facteurs d'influence incluent également la composition de l'air ambiant et respiratoire dans les cavernes souterraines d'expérimentation. Afin de déterminer si l'état est constamment parfait, l'air est extrait et analysé en continu à plus de 100 points de mesure à l'intérieur et à l'extérieur du détecteur. Ceci est d'autant plus important, car la notion de « compact », que l'on retrouve dans le nom de l'expérience CMS, signifie qu'on ne peut pas intervenir rapidement partout et n'importe où. En effet, en cas de situation critique, telle qu'une fuite de gaz ou un incendie à l'intérieur du détecteur, il faudrait jusqu'à 2 semaines pour accéder aux zones intérieures via des ouvertures d'urgence.

Automatisation intelligente

Dans le passé, un appareil d'analyse distinct fonctionnait pour chaque point de prélèvement d'air, ce qui entraînait des coûts élevés. Les frais de maintenance et le taux d'erreur possible étaient également trop élevés pour les normes du CERN. Depuis début 2016, les terminaux de distributeurs VTSA veillent à ce que les flux d'air soient acheminés vers les appareils d'analyse le plus rapidement possible. La nouvelle solution réduit le nombre d'appareils d'analyse requis d'un facteur 10. Les flux d'air sont désormais regroupés de manière centralisée et affectés à des dispositifs d'analyse en aval. Les distributeurs principaux du VTSA, qui sont pilotés par air comprimé, ont l'avantage d'être insensibles au magnétisme du détecteur CMS. Le terminal de distributeurs a été configuré pour répondre aux exigences individuelles en termes d'utilisation au CERN. L'adaptation technique la plus importante est le fonctionnement réversible.

En fonctionnement normal, l'air à analyser dans une conduite de mesure est acheminé par le terminal de distributeurs vers la station d'analyse en aval. Dans le même temps, toutes les autres lignes de mesure d'un mètre sont aspirées en permanence sous vide. Lors du passage à la conduite de mesure suivante, l'air ambiant actuel se trouve ainsi directement au niveau du distributeur respectif. Grâce à cette application flexible, les composants standard de haute qualité du VTSA offrent une solution technique intelligente, qui offre à son tour au CMS une augmentation durable de l'efficacité au niveau des performances et des coûts.

Un petit pas vers un grand avenir

Le projet conjoint d'analyse automatisée de l'air a débuté en août 2015. Les unités ont été livrées fin octobre. Le nouveau système a été mis en service au début de l'année 2016. « Pour nous, le choix s'est porté en faveur de Festo en tant que fournisseur de cette technologie uniquement grâce au fait que nous utilisons les produits Festo à notre entière satisfaction au CERN et CMS depuis des années », explique Gerd Fetchenhauer, responsable CMS de la sécurité des gaz au CERN.

Si, auparavant, des composants individuels étaient majoritairement achetés individuellement, la solution système issue de la collaboration de longue date entre Festo et le CERN est prête-à-installer et la première dans son genre. Elle peut également constituer la base d'applications similaires dans d'autres détecteurs du Grand collisionneur de hadrons. Ainsi, de nombreux petits pas mèneront à de nouvelles découvertes scientifiques à l'avenir.


www.cern.ch

  1. Cet article a été publié dans le magazine clients Festo trends in automation 2.2016

    Images : CERN

septembre 2016

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