Les accélérateurs de particules (Travaux Pratiques Encadrés)

« de son efficacité .

Outre ses principaux apports en recherche fondamentale (travaux sur la structure de la matière réalisés notamment a u GANIL, en astrophysique comme au Centre de Recherches du Cyclotron de I'UCL, à Louvain-la-Neuve) ou dans le domaine de la physique nucléair e (projet de « système s hybrides " associant accélérateur de particules et réacte ur nucléaire en vue de l'incinéra tion des déchets ou de la productio n d'énergie) le cyclotron est utilisé en recherche médicale (pour le traitement de certaines tumeurs cancéreuses par exemple) en neurologie, en pharmacologie ...

et même en histoire de l 'art.

AGLAE , l'accélérateur Grand Louvre d'Analyse Élémentaire, est ainsi utilisé depuis 1989 afin d'identifier ou d'authentifier différents objets artistiques sans même avoir besoin de les touche r .

LES SYNCHROTRONS Un synchrotron est essentiellement un accélérateur de forme annulaire qui permet d 'accélérer les électrons jusqu 'à une vitesse proche de celle de la lumi è re .

Cyclotron amé lioré, il diffère de son prédécesseur par le fait que le champ magnétique qui le traverse croît au fur e t à mesure qu'augmente l'énergie des particules qui y circu le.

PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT Tandis que dans un cyclotron , le rayon de la trajectoire des particules augmente au fur et à mesure de l'accélération , le synchrotron permet d 'adapter le champ magnétique à l'énergie cinétique des particules afin que leur trajectoire circulaire soit toujours la même .

Cette capacité du syn chrotron à « maintenir >> la trajectoire des particules permet d'éviter les inconvénients du cyclotro n.

Ainsi , alors que dans ce dernier, la fréquence des rotations diminue avec l 'accroissement de l'é nergie , le synchrotron permet aux particules chargées d 'être soumises à des forces accélératrices sans que ne varie leur trajectoire circulaire .

Les synchrotrons peuvent accélérer toutes les particules chargées (protons, ions ou électrons).

Ils ne sont limités en én erg ie que par leur taille et leur coût.

Enfin, dans les synchrotrons, et dans tous les accé lé rateurs 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.

C'est le rôle des aimants quadrupôlts .

LE RAYONNEMENT SYNCHROTRON La vocation spécifique des synchrotrons est la production d'un rayonnemen t électr omagnétique particulier appelé rayonnement synchrotro n qui permet d 'explorer la matière et de découvrir sa structure.

Dans un synchrotron , les particules chargées sont émises par un canon à électrons puis accé lérées dans un accélérateur linéaire.

Elles sont e nsuite transférées dans un accélérateur circulaire , le synch rotron (qui donne son nom à l 'ense mble du dispositif), lequel augmente leur énergie, puis injectées dans l'anneau de stockage où elles tournent pendant des heures à énergie constante .

La durée de vie du faisceau stocké peut atteindre quelques heures.

Dans les aima nts de courbu re d ' un annea u, les électrons ou les positrons stockés émette nt le rayonnement synchrotron qui à haute énergie (supérieure à 100 MeV au moins) , est très intense et très directif .

Ce sont les qualités exceptionnelles de cette lumière émise qui permettent d'étudier différents matériaux dans les cabines expé rimen ta les.

En effet, il s'agit d'une lumi ère blanche qui comprend toutes les longueurs d'onde depuis l'infrarouge jusqu'aux rayons X en passant par le visib le et l 'ultraviolet.

Elle se propage dans des lignes de lumière d 'une vingtaine de mètres de long et des systèmes optiques sélectionnent une des longueu rs d ' onde , puis la concentrent sur l'échantillon que l'on souhaite étudier, avec des dimensions qui peuvent être de l'ordre du micromètre .

DOMAINES D 'APPLICATION Les retombées des expé riences réalisées grâce aux synchrot rons concernent des domaines aussi variés que la médecine, avec la reconnaissance, atome par atome, de la structure de certa ines protéines, la physique des solides, avec l'amélioration de certains supraconducteurs, ou la construction des premiers microscopes à rayons X mous.

Utilisés en physique , en chimie , en géologie , en sciences des matériaux , en sciences de l a vie et de l'enviro nnement ou dans l 'étude des semi -conducteurs, les synchrotrons ont notamment p ermis de déterminer la structure entière d e certains virus.

D ' autre part leur rôle est important lors de l 'étude de l'hydro gène et de la gl ace à très haute pression .

Les synchrot rons ont notamment joué un rôle essentiel et majeur lors de l'élaboration de médicaments visant à lutter contre la grippe, l'hypertension, le gla ucome, le cancer ou encore de la trithérapie dans le cas du traitement du sida .

Les appareils dits de «troisième gén é ration" (comme I'ERSF, European sync hrotron research facility, près de Grenoble ; le sync hrotron Soleil à G if-sur-Yvette , en cours d e réalisa tio n) sont encore plus prometteurs.

LES COLLISIONNEURS Il existe enfin une dernière grande catégorie d 'accélérate urs de particules : ce sont ce que l'on appelle les collisionneurs .

C'est en 1956 que le physicien américain Donald William Kent (découvreu r du bêtatron en 1940) a eu l 'idée de créer des collisions frontales directement entre des faisceaux de particules afin de ne pas perdre d'énerg i e .

Dès lors, les premiers accélérateurs de ce type furent élabo rés.

CONSTITUTION Dan s ces anneaux de collision, les faisceaux de particules circu lent en sens inve rse et se rencontrent en plusieurs points Oes points d'Interaction) où se produisent des collisions de particules .

PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT Aux points d'interaction sont reliés des détecteurs et des appareils d 'observations qui permettent d'analyser les énergies en présence, les caractéristiques du phénomène physique engendré par la colli sion ainsi que les produits issus de la rencontre entre les faisceaux de particules stables et chargées .

Ces particules opposées sont soit des couples particule-antiparticule (électron-p ositron o u proton-antiproton) voyageant sur la même orbite en sens inverse , soit des couples de particules identiques (proton -proton) circulant sur des orbites séparées en dehors des points de collisions et dans des aimants de courbure différents dont les champs magnétiques sont opposés.

Avant la décision récente de le fermer , le collisionneur électron-positron (LEP) du CERN , situ é sur la frontière franco-suisse (le plus grand accé lé rateu r de particules du monde) a permis d 'accé lé rer des paquets d'électrons et d 'anti-électrons (positrons ) jusqu'à une vitesse trés proche de celle de la lumière (environ 300 000 km/seconde), puis de faire entrer en collisions ces particules , ces annihil ations matière-antimatière libérant une grande quantité d 'énergie qui se transforme alors en particules .

Le tévatron , collisionneur protons-anti­protons est l'accélé rateur principal du Ferrnilab .

Avec une énergie de 1 000 GeV, il est entièrement supraconducteur.

Les faisceaux de protons et d 'anti-protons sont accélérés dans des directio ns opposées et entrent en collision au centre de deux détecteurs .

DES OUTILS TRÈS PERFORMANTS LES AVANCÉES DE LA RECHERCHE SUR LA MATilRE Ces puissants accé lérate urs ont été à l'origine de grandes avancée s en physi que des particules, confirmant expé rimentalement le « modèle standard " qui décrit les constituants éléme ntair es de la matière et les interactions fondamentales auxquelles ils participent (gravitationnelle, faible, électromagnétique, forte) .

Le tévatron a notamment permis la découverte du quark-top et du quark bottom , le SLAC celle du quark charmé ; les bosons intermédiaire de l'interaction faible (y. »