Les grands accélérateurs sont de gigantesques machines dans lesquelles on produit et accélère des particules élémentaires jusqu'à des énergies considérables.

Les grands accélérateurs sont de gigantesques machines dans lesquelles on produit et accélère des particules élémentaires jusqu'à des énergies considérables. Nos connaissances sur la structure intime de la matière ont progressé essentiellement grâce à eux. C'est là l'unique justification de ces coûteuses constructions. Par le désintéressement de ceux qui s'y consacrent et par l'ampleur des moyens mis en jeu, les grands accélérateurs sont en quelque sorte les cathédrales du XXe siècle. Un accélérateur de particules est un instrument de physique destiné à accélérer des faisceaux de particules chargées (électrons, positrons, protons, antiprotons ou ions). L'énergie cinétique des particules accélérées se mesure en électronvolts (eV). Un électronvolt est l'énergie acquise par une particule qui subit une différence de potentiel électrique de 1 volt. Cette énergie est de 1,6 × 10-19 joule. Les unités usuelles sont le million et le milliard d'eV (MeV et GeV). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats antiproton électron électronvolt ion positron proton Principe d'un accélérateur Les particules chargées à accélérer sont injectées dans l'accélérateur à partir d'une source à basse énergie (source d'ions ou canon à électrons). Elles se trouvent dans une chambre, à l'intérieur de laquelle on a effectué un vide poussé, et sont accélérées par un champ électrique produit par une source de haute tension ou par des tubes de radiofréquence. Le faisceau de particules est guidé et focalisé par des aimants de courbure de trajectoire et par des lentilles magnétiques de focalisation. En fin d'accélération, il est dirigé sur une cible à bombarder. Celle-ci est placée à l'intérieur de l'accélérateur ou à l'extérieur. Dans ce dernier cas, un système d'extraction, généralement magnétique, éjecte le faisceau de l'accélérateur. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats chambre Les livres accélérateur de particules - détail d'une collision de particules, page 20, volume 1 accélérateur de particules - collisions proton/antiproton, page 23, volume 1 Types d'accélérateurs Les différents types d'accélérateurs peuvent être groupés en trois catégories : les accélérateurs linéaires, les accélérateurs circulaires et les anneaux de stockage ou de collisions. Dans le premier cas, les trajectoires sont linéaires ; elles sont circulaires dans les deux autres. Le cycle d'accélération (intervalle de temps entre l'injection et l'extraction) est bref, au plus quelques secondes. Dans les anneaux, le faisceau effectue un grand nombre de révolutions, parfois pendant des heures. Les accélérateurs linéaires. Le premier type d'accélérateur linéaire est électrostatique. Une haute tension statique est obtenue par un redresseur de courant (accélérateur Cockcroft et Walton) ou par une courroie transporteuse de charges (accélérateurs Van de Graaff et tandems). Le champ électrique résulte de la différence de potentiel statique ainsi appliquée entre des électrodes. L'énergie acquise par les particules (protons ou ions) est égale, en eV, à cette différence de potentiel. Celle-ci est au maximum de quelques millions de volts. Avec les accélérateurs de type Wideröe ou Alvarez, cette limite en énergie est repoussée à quelques centaines de MeV par le passage du faisceau dans une suite de cavités où règne un champ électrique alternatif de radiofréquence. Au cours d'une période, le champ, d'abord accélérateur, s'inverse et devient décélérateur. Pour être accélérées, les particules doivent passer dans les cavités au moment où le champ est accélérateur. Le synchronisme avec le champ est obtenu quand les particules parcourent la distance entre les cavités en un temps égal à une période du champ. Au fur et à mesure que la vitesse des particules augmente, la distance entre les cavités diminue afin que le temps de parcours reste égal à une période. Dans les accélérateurs linéaires à électrons, ces derniers deviennent vite relativistes, car leur vitesse se rapproche de celle de la lumière quand leur énergie augmente. À 1 MeV, leur vitesse est déjà égale à 90 % de celle de la lumière. À 10 GeV, l'écart n'est plus que d'un milliardième. La succession des cavités constitue une structure périodique dans laquelle se propage une onde électromagnétique. Les électrons sont accélérés par le champ électrique associé à cette onde. Le synchronisme est obtenu quand la vitesse de propagation de l'onde est égale à celle des électrons. Le plus grand accélérateur linéaire est celui de Stanford (États-Unis), qui accélère des électrons et des positrons jusqu'à 50 GeV. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats Alvarez Luis Walter Cockcroft (sir John Douglas) GeV MeV Van de Graaff Robert Jemison Walton Ernest Thomas Sinton Les accélérateurs circulaires. Dans les accélérateurs circulaires, les trajectoires des particules sont des spirales dans les cyclotrons et des courbes quasi circulaires, refermées sur elles-mêmes, dans les synchrotrons. Les trajectoires sont courbées par le champ magnétique d'électroaimants, appelés aimants de courbure. Les particules repassent un grand nombre de fois dans les cavités accélératrices, et leur énergie finale est proportionnelle au nombre de révolutions. La condition de synchronisme est réalisée quand le temps de révolution est égal à une période du champ. Les cyclotrons sont constitués d'un seul aimant de courbure avec deux pôles magnétiques circulaires d'un diamètre pouvant atteindre plusieurs mètres. Les particules (protons ou ions) sont injectées au centre. Dans la chambre à vide située entre les pôles, elles décrivent des trajectoires courbes de rayon de plus en plus grand - c'est-àdire des spirales - quand leur énergie augmente. L'énergie atteinte est limitée par la taille de l'aimant. La cavité accélératrice est composée par deux électrodes ayant la forme d'une boîte de camembert coupée en deux suivant le diamètre. Le champ de radiofréquence s'établit entre les deux demi-boîtes. Pour des énergies pas trop grandes (quelques dizaines de MeV pour des ions légers), le synchronisme est parfait. À plus haute énergie, les vitesses deviennent relativistes, et un décalage apparaît. Cette limitation en énergie a cependant pu être dépassée dans les cyclotrons isochrones par l'utilisation d'un champ magnétique non uniforme. Le GANIL (Grand accélérateur national d'ions lourds), installé à Caen, est constitué d'une cascade de deux cyclotrons isochrones. De même, dans les synchrocyclotrons, la fréquence du champ de radiofréquence varie afin de maintenir le synchronisme au cours du cycle d'accélération. Dans les synchrotrons, les particules circulent à chaque révolution sur la même trajectoire quasi circulaire à l'intérieur d'une série d'aimants de courbure. Pour que les particules soient maintenues sur la même trajectoire, le champ magnétique croît au fur et à mesure que leur énergie augmente. Pour satisfaire à la condition de synchronisme, il faut aussi varier la fréquence du champ dans les cavités accélératrices, tout au moins tant que la vitesse des particules augmente, c'est-à-dire tant qu'elles ne sont pas encore très relativistes. Les synchrotrons peuvent accélérer toutes les particules chargées (protons, ions ou électrons). Ils ne sont limités en énergie que par leur taille et leur coût. Enfin, dans les synchrotrons, et dans tous les accélérateurs où les particules parcourent des distances très grandes, il faut focaliser le faisceau pour éviter son grossissement et sa perte dans les parois de la chambre à vide. On utilise des lentilles magnétiques puissantes, alternativement focalisantes et défocalisantes, selon le principe de la focalisation forte. Tous les synchrotrons modernes, comme le SpS (Super Synchrotron à protons) de 450 GeV au Centre européen de recherche nucléaire (CERN), à Genève, sont construits sur ce principe. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats CERN (Centre européen de recherche nucléaire) cyclotron électroaimant synchrocyclotron Les anneaux de stockage. Les anneaux de stockage sont des synchrotrons qui permettent de garder le faisceau circulant dans l'anneau. Pour cela, l'accélération est stoppée en fin de cycle et le champ magnétique est maintenu constant. La durée de vie du faisceau stocké peut atteindre quelques heures. Les anneaux de stockage sont de deux types : les anneaux d'électrons ou de positrons utilisés comme source de rayonnement synchrotronique et les anneaux de collisions de la physique des particules. Dans les aimants de courbure d'un anneau, les électrons ou les positrons stockés émettent un rayonnement électromagnétique, dit synchrotronique. À haute énergie (supérieure à 100 MeV au moins), ce rayonnement est très intense et très directif. Il possède un spectre de longueur d'onde qui s'étend des rayons X au domaine du visible. Dans un anneau de collisions circulent deux faisceaux en sens contraire. Ils se rencontrent en plusieurs points où se produisent des collisions de particules. Ces particules opposées sont soit des couples particule-antiparticule (électron-positron ou proton-antiproton) voyageant sur la même orbite en sens inverse, soit des couples de particules identiques (proton-proton) voyageant sur des orbites séparées en dehors des points de collisions. Ces orbites passent alors dans des aimants de courbure différents dont les champs magnétiques sont opposés. Le LEP ( Large Electron-Positron collider) au CERN, à Genève, est le plus grand anneau de collisions électron-positron. D'une circonférence de 27 km, installé dans un tunnel souterrain, il peut accélérer les particules de 20 GeV jusqu'à une centaine de GeV. La volonté d'abaisser le coût de la puissance électrique dissipée et la nécessité de maintenir des champs magnétiques élevés ont conduit à la construction d'accélérateurs supraconducteurs. Les cavités accélératrices et les électroaimants sont en matériaux supraconducteurs et refroidis à environ 4 o C au-dessus du zéro absolu. Le Tévatron du laboratoire de Fermilab, près de Chicago (États-Unis), est un anneau de collisions proton-antiproton de 1 000 GeV entièrement supraconducteur. Une catégorie particulière est formée par les accélérateurs à induction. Le bêtatron est un accélérateur circulaire d'électrons à induction : une variation rapide du champ de l'aimant de courbure induit un champ électrique accélérateur. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats bêtatron CERN (Centre européen de recherche nucléaire) électroaimant électron GeV LEP (Large Electron Positron Collider) positron supraconductivité Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats chambre champ - 2.PHYSIQUE électroaimant induction - 2.PHYSIQUE isochronisme positron proton Les livres recherche scientifique - le détecteur à rayons X de l'accélérateur de particules LEP, page 4254, volume 8 accélérateur de particules - le détecteur Aleph, page 21, volume 1 accélérateur de particules - le détecteur DELPHI, page 21, volume 1 accélérateur de particules - le site du LEP, page 21, volume 1 accélérateur de particules - schéma d'un accélérateur électrostatique de type tandem, page 22, volume 1 accélérateur de particules - schéma d'un cyclotron, page 22, volume 1 accélérateur de particules - schéma d'un accélérateur linéaire à protons de type Alvarez, page 22, volume 1 accélérateur de particules - schéma d'un synchrotron, page 22, volume 1 Utilisations des accélérateurs Les accélérateurs ont d'abord été construits pour les besoins de la physique nucléaire. Les particules accélérées bombardent les noyaux d'une cible. Elles agissent à la manière d'une sonde qui révèle la structure et les propriétés des noyaux. La mécanique quantique enseigne qu'une onde est associée à chaque particule. Il n'est pas possible de voir des objets plus petits que la longueur d'onde de la sonde. Comme la longueur d'onde diminue en augmentant l'énergie d'accélération, on peut voir des détails de plus en plus fins dans les noyaux. Par ailleurs, l'accélération d'ions lourds permet par bombardement d'étudier de nouveaux états de la matière nucléaire dont certains ont pu exister peu de temps après la naissance de l'Univers. Avec les accélérateurs de haute énergie (supérieure à 1 GeV) commence le domaine de la physique des particules, c'est-à-dire l'étude des particules artificielles et des constituants élémentaires de la matière (les leptons et les quarks). Pour les produire, l'énergie disponible doit être au moins égale à l'énergie équivalente de leur masse. Cependant, à haute énergie, la majeure partie de l'énergie fournie par l'accélérateur reste sous forme d'énergie cinétique du système constitué par la particule incidente et la particule cible au repos. Les anneaux de collisions ont permis d'utiliser toute l'énergie fournie. La cible est maintenant un faisceau antagoniste allant à l'encontre du premier avec la même vitesse. Les deux particules qui vont interagir se dirigent l'une vers l'autre à des vitesses égales et opposées. Elles forment un système au repos ; toute l'énergie est disponible. Un faisceau fourni par un accélérateur peut aussi être utilisé pour produire un faisceau de particules secondaires, émises dans le bombardement d'une cible, que ce soient des particules à durée de vie très courte (mésons ` , Y et &), des particules neutres (rayons (, neutrinos et neutrons) ou des antiparticules (positrons et antiprotons). Un accélérateur peut servir d'injecteur dans un accélérateur plus grand. Le faisceau, d'abord accéléré dans le premier jusqu'à son énergie maximale, est ensuite injecté dans le suivant qui va continuer à l'accélérer à des énergies plus élevées. Il n'y a pas moins de quatre accélérateurs successifs pour porter à 20 GeV les faisceaux d'électrons avant de les injecter dans le LEP. Le rayonnement synchrotronique des anneaux de stockage d'électrons ou de positrons est utilisé dans beaucoup de domaines de recherche fondamentale et appliquée : la physique atomique et moléculaire, la chimie et même la biologie. Les faisceaux de rayons X ou (, de protons ou d'ions légers produits par des accélérateurs sont des rayonnements pénétrants et ionisants. Ils sont utilisés en radiothérapie pour détruire les cellules tumorales et en biologie pour la stérilisation. L'industrie utilise les rayons ( pour la radiographie des pièces métalliques. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats antiparticule antiproton atome - Le noyau - Isotopes et stabilité atome - Un long parcours scientifique Charpak Georges choc - 1.PHYSIQUE gamma (rayons) ion LEP (Large Electron Positron Collider) lepton méson neutrino neutron nucléaire (physique) positron quark radioactivité - Radioactivité naturelle et radioactivité artificielle radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Émission thermique et émission synchrotron rayonnement - Le rayonnement électromagnétique - Le rayonnement ultraviolet rayons X Les médias accélérateur de particules - au service de la cancérologie accélérateur de particules - un accélérateur au musée du Louvre Les livres accélérateur de particules - l'accélérateur Aglaé, page 23, volume 1 Les grandes étapes Les principales étapes se présentent ainsi : en 1930, les accélérateurs électrostatiques, l'accélérateur linéaire de Wideröe et le cyclotron ; en 1940, le bêtatron ; en 1950, le synchrotron ; en 1960, les anneaux de stockage et de collisions ; en 1970, les anneaux pour l'utilisation du rayonnement synchrotronique ; en 1980, les accélérateurs supraconducteurs. Ce développement des accélérateurs a été marqué par une croissance exponentielle de l'énergie d'accélération et de l'énergie disponible dans les collisions, bien apparente sur le diagramme de Livingston. L'énergie a été multipliée par un facteur 10 tous les dix ans grâce aux inventions et aux progrès rapides de la technologie, stimulés par l'intérêt que suscite l'étude de l'infiniment petit. L'importance des moyens à mettre en oeuvre pour construire et utiliser des accélérateurs de haute énergie a conduit à concentrer les réalisations dans de grands laboratoires et à bâtir une fructueuse collaboration internationale. Ainsi, le CERN, à Genève, rassemble dix-neuf pays européens et collabore avec beaucoup d'autres. Il abrite le plus grand complexe d'accélérateurs utilisés pour la physique nucléaire et la physique des particules. Le fleuron en sera le LHC (Large Hadron Collider), opérationnel au-delà de 2003. À partir des années soixante-dix, les anneaux de stockage pour la production du rayonnement synchrotronique ont élargi notablement le champ d'utilisation des accélérateurs. En France, le Laboratoire pour l'utilisation du rayonnement électromagnétique (LURE) possède deux anneaux (SUPERACO et DCI) et un accélérateur linéaire pour l'injection dans ces anneaux. À Grenoble, un organisme européen (ESRG) construit un grand anneau : le Synchrotron européen.