Les accélérateurs de particules : DE L'ATOME AUX QUARKS

« de son efficacité .

Outre ses principaux apports en recherche fondamentale (travaux sur la structure de la matière réalisés notamment au GAN IL, en astrophysique comme au Centre de Recherches du Cyclotron de I'UCL, à louvain -la-Neuve) ou dans le domaine de la physique nucléaire (projet de « systèmes hybrides » associant accélérateur de particules et réacteur nucléaire en we de l'Incinération des déchets ou de la production 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 toucher .

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 lumière .

Cyclotron amélioré, il diffère de son prédécesseur par le fait que le champ magnétique qui le traverse croit au fur et à mesure qu'augmente l'énergie des particules qui y circule .

PRINCIPES DE FONcnONNEMENT 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 synchrotron à « maintenir » la trajectoire des particules permet d'év~er les inconvénients du cyclotron .

Ainsi , alors que dans ce dernier , la fréquence des rotations diminue avec l'accroissement de l'énergie , 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 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 .

C'est le rôle des ,;.,tifs qllfldtvpôks .

~ RAYONNEMENT SYNCHIDnON la vocation spécifique des synchrotrons est la production d'un rayonnement électromagnétique particulier appelé rayonnement synchrotron 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 accélérées dans un accélérateur linéaire .

Elles sont ensuite transférées dans un accélérateur circulaire, le synchrotron (qui donne son nom à l'ensemble 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 aimants de courbure d'un anneau, les électrons ou les pos~rons stockés émettent le rayonnement synchrotron qui à haute énergie (supérieure à 100 MeV au moins).

est trés intense et trés directif.

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

En effet il s'agit d 'une lumière blanche qui comprend toutes les longueurs d'onde depuis l'infrarouge jusqu 'aux rayons X en passant par le visible 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 longueurs 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' APPUCAnON les retombées des expériences réalisées grace aux synchrotrons concernent des domaines aussi variés que la médecine, avec la reconnaissance , atome par atome, de la structure de certaines 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 géolog ie, en sciences des matériaux , en sciences de la vie et de l'environnement ou dans l'étude des semi-conducteurs , les synchrotrons ont notamment permis de déterminer la structure entière de certains virus.

D 'autre part leur rôle est important lors de l'étude de l'hydrogène et de la glace à très haute pression .

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

les appareils dits de « troisième génération» (comme I'ERSF , European synchrotron research facility , prés de Grenoble ; le synchrotron Soleil à Gif-sur-Yvette, en cours de réalisation) sont encore plus prometteurs .

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

C'est en 1956 que le physicien américain 0../d Wllll•• Ktrst (découvreur 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'énergie .

Dés lors, les premiers accélérateurs de ce type furent élaborés .

CONmTUTION Dans ces anneaux de collision, les faisceaux de particules circulent en sens inverse et se rencontrent en plusieurs points Oes points d'Interaction) où se produisent des colllsifms de porlk•les .

PRINCIPES DE FONcnONNEMENT 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 collision 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-positron ou 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 collisionne•r rlectron-posltron (LEP) du CERN, situé sur la frontière franco-suisse (le plus grand .-....,.:;;...,..

accélérateur de particules du monde) a permis d'accélérer 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 annihilations matière-antimatière libérant une grande quantité d'énergie qui se transforme alors en particules .

le trvtdron , collisionneur protons-anti ­ protons est l'accélérateur principal du Fermilab.

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

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

DES OUTILS TRÈS PERFORMANTS WAVANdES DE LA IECHEICHE SUl LA MAnÈIE Ces puissants accélérateurs ont été à l'origine de grandes avancées en physique des particules, confirmant expérimentalement le « modèle standard » qui décrit les constituants élémentaires 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 (!N+ , W-,l) ont pu être étudiés grâce au LEP.

les gluons (particules cimentant les quarks entre eux) ont été découverts à la suite d'une expérience sur le collisionneur Petra du laboratoire Desy (Hambourg).

DE VASTES FAISCEAUX D'unuSAnON De nouveaux états de la matière ont ainsi été mis en évidence et en cosmologie, la théorie du Big Bang a pu être précisée .

Au CERN , le collisionneur proton-proton de très haute énergie LHC (large Hadron Collider), en cours de construction , prendra la succession du LEP.

Il permettra la recherche du boson de Higgs et d 'éventuelles autres forces et particules élémentaires .

Muni d'un champ magnétique 100 ooo fois supérieur à celui de la Terre, il sera capable de recréer les conditions subatomiques qui prévalaient dans la première picoseconde de l'univers (10 ·"secondes) .

les accélérateurs de particules ont également provoqué des avancées concrètes et pratiques .

Utilisés en médecine (stérilisation ou encore création d'une couche de matière biologique sur les hanches artificielles afin de les rendre compatibles avec les articulations) , les collisionneurs servent aussi à améliorer la résistance de certaines matières , à réduire la taille des composants informatiques, à protéger de l 'usure les moteurs d 'automobiles ou d'avions ou encore à fabriquer des outils destinés à percer des tunnels .

DES PERSPECTIVES PROMETTEUSES Sortis largement de leur domaine d'origine, la physique nucléaire, les accélérateurs de particules sont aujourd'hui utilisés dans de très nombreux secteurs industriels , environnementaux ou scientifiques et les perspectives offertes par les accélérateurs de particules sont des plus attractives .

LA IECHEICHE MBIICALE Il est fortement probable que ces instruments joueront dans un avenir assez proche, un rôle très important dans la recherche sur le cancer.

De plus, ils permettront d'élaborer des marqueurs pharmaceutiques.

le domaine de la chirurgie pourrait lui aussi , profiter (dès que les accélérateurs sauront préserver les tissus) de l'exactitude offerte par ces différents instruments ainsi que de leur capacité à diriger avec une précision quasi-parfaite un rayon laser .

EN MAnÈIE D'ENVIRONNEMENT les accélérateurs de particules participeront très certainement et avec efficacité à la protection de l 'environnement dans la mesure où ils seront bientôt capables de transmuter des déchets lourds, c'est-à-dire de leur ôter leur caractère polluant et de les rendre inoffensifs .

De la même façon , les accélérateurs contribueront à la transformation et à l'assainissement des gaz d 'usines ou encore, permettront de traiter et de stériliser les eaux polluées .

LA IECHEICHE EN ASTIIOPHYSIQUE les accélérateurs de particules vont désormais jouer un rôle essentiel dans les recherches en astrophysique et donc contribuer activement à l'amélioration de nos connaissances et de notre compréhension de l'Univers .

lA IECHEICHE NUCI.UIIE Un secteur particulièrement sensible est celui de l'énergie nucléaire : le projet de « réllcteur ltybrlde » associant accélérateur et réacteur proposé par le prix Nobel de physique Carlo Rubbia en 1993 est pour le moment expérimental et rencontre des réserves et des critiques .

le premier objectif est la transmutation des déchets nucléaires à vie longue, le second la production d 'énergie électronucléaire associant un accélérateur de protons et un réacteur à neutrons rapides utilisant comme combustible du thorium et comme fluide caloporteur du plomb fondu .

le système serait plus sûr que certaines centrales actuelles- car il permettrait de contrôler la réaction en chaine -.

plus économe et plus propre .

~ ANANCEMENT Malgré tous les espoirs placés dans ces impressionnantes machines , un écue il de taille pourrait entraver les progrès déjà atteints : le financement En effet la quête de nouvelles particules ou d'énergies élevées demande de plus en plus de puissance et donc des accélérateurs de plus en plus grands et de plus en plus chers .

Un problème qui retient les investisseurs et qui a déjà provoqué l'Interruption ou la cessation de plusieurs programmes de recherche.

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