Accélérer des particules ?

Lundi 16 juin 2008

Accélérer des particules ?

Quand on parle des accélérateurs de particules, on parle de cyclotrons, de synchrotrons, de collisionneurs, comment fonctionnent toutes ces machines, et surtout, quels sont leur but ?

Objectif ?
Accélérer des particules le plus vite possible pour ensuite provoquer des collisions soit sur une cible fixe, soit les unes contre les autres.

Complexe d'accélrateurs du CERN à Genève

Pourquoi ?

Pour mieux comprendre la constitution et les interactions de la matière qui nous entoure. On cherche à « casser » des particules pour pouvoir ensuite détecter de quoi elles sont constituées ou pour les transformer en d’autres particules.

Comme masse et énergie sont équivalentes (le fameux E=mc² de la relativité d'Einstein), on peut par exemple transformer des « grosses » particules accélérées en énergie pure et en d’autres « petites » particules suite à des processus de désintégrations. C’est comme si on projetait 2 voitures l’une contre l’autre à grande vitesse et qu’on analysait ensuite les pièces éparpillées sur le sol pour comprendre le fonctionnement des voitures… Autant dire que ce n’est pas gagné d’avance ! On comprend aisément ici que plus les voitures vont vites, plus on va venir « fabriquer » des petits morceaux élémentaires de la voiture.

Il faut aussi souligner que les accélérateurs sont largement utiliser dans tout ce qui est imagerie médicale, pour la radiothérapie ainsi qu’en spectroscopie pour analyser des échantillons de matière pour les dater ou pour trouver leur composition (police scientifique, archéologues…) .

Quelle particules ?

On accélère pas n’importe quelle particule, mais toujours des particules (ou anti-particules) chargées, c’est-à-dire les particules possédant une charge électrique positive (comme les protons ou les positrons) ou négative (comme les électrons ou les anti-protons) car toutes les techniques d’accélération et de guidage des particules dans les accélérateurs se basent sur l’électromagnétisme (voir article sur l’électromagnétisme). On peut donc également accélérer des ions (qui sont par définition chargés positivement ou négativement) mais pas des neutrons ou des neutrinos qui sont des particules neutres sans charge électrique.

Quelles énergies ?

On ne parle jamais de la vitesse des particules mais plutôt de leur énergie car c’est bien ce qui compte. Une voiture de 500kg à 100km/h à la même énergie qu’un semi remorque de 5 tonnes à 30km/h. En physique des particules, on mesure toujours les énergies en électronvolt (eV), cette unité correspond à l’énergie d’accélération donnée à un électron soumis à une tension de 1 Volt. On obtient donc 1 eV =1,6 10^-19 Joules.

L’accélérateur de particule LHC au CERN aura une énergie de collision de 14 milliers de milliards d’électronvolt, soit 14 TeV = 2,24 micro Joule, c’est-à-dire l’énergie d’un moustique en plein vol mais dans un volume plusieurs milliards de fois plus petit qu’un moustique !!
 

Les accélérateurs linéaires ?

Les premiers accélérateurs étaient linéaires, ils consistaient simplement à appliquer une tension fixe aux bornes d’un tube à vide pour accélérer des particules avec le champ électrique. On parle d’accélérateurs à redresseur puis électrostatiques, capable d’atteindre des énergies de 100MeV en appliquant 100 Millions de Volt !

Les cavités Radio-Fréquence (RF) sont ensuite apparues. Ces accélérateurs sont souvent appelés LINAC (Linear accelerator) et sont généralement utilisés comme injecteur dans les grands complexes d’accélérateur comme au CERN. Ils sont basés sur le même principe que les accélérateurs électrostatiques mais cette fois ce n’est plus une énorme tension fixe mais de faibles tensions qui oscillent à des fréquences très élevées dans des cavités en forme de ballons aplatis. On peut atteindre plusieurs dizaines de milliards d’électronvolt avec cette technologie (dizaines de GeV).

Accélérateur à redresseur (1937), cavités RF du LEP au CERN (1989)

Les accélérateurs circulaires ?

Les premiers accélérateurs circulaires sont les cyclotrons, ils accélèrent les particules en spirale dans un champ magnétique fixe créé par un aimant massif. Ils font au maximum quelques mètres de diamètre et peuvent atteindre des énergies de quelques dizaines de MeV. Dans ces accélérateurs, l’accélération n’est plus basée sur une différence de potentiel électrique mais sur la force centripète générée par un champ magnétique. En effet, si on fait tourner une particule dans un champ magnétique fixe, sa fréquence de rotation est indépendante du rayon de sa trajectoire donc si ce rayon augmente, alors la particule parcours plus de distance dans le même temps (elle est donc accélérée). Plus on va venir faire tourner une particule dans un grand cercle, plus elle va vite jusqu’à une certaine limite. Lorsqu’on se rapproche de la vitesse de la lumière, la relativité intervient car dans ce cas, l’énergie se transforme en masse et c’est comme si la particule était plus lourde…

Les Synchrotrons, quant à eux, sont formés de deux demi cercles. Les sections droites sont constituées de cavités accélératrices Radio-Fréquence classiques permettant d’accélérer les particules comme dans un LINAC et les sections courbes sont composées d’aimants permettant simplement de courber le faisceau de particules de manière à conserver une trajectoire circulaire. Ce procédé, très performant, est l’équivalent d’un accélérateur linéaire de plusieurs milliers de kilomètres car les particules passent énormément de fois dans les cavités accélératrices puisqu’elles tournent en rond ! Evidemment, le champ magnétique dans les sections courbes et la fréquence des cavités doivent être ajusté au fur et à mesure que l’énergie du faisceau augmente pour conserver la bonne trajectoire. On peut atteindre plusieurs centaines de GeV avec cette technologie (PS ou SPS au CERN).

Jusqu’ici tous ces accélérateurs produisait des faisceaux de particules que l’on projetait sur des cibles fixes. On a ensuite pensé à imbriquer 2 synchrotrons en sens inverses de manière à ensuite provoquer des collisions frontales entre des particules, c’est ce qu’on appelle un collisionneur. De telles machines peuvent atteindrent plusieurs milliers de milliards d’électronVolt (TeV), comme le Tevatron à Fermilab (1 TeV) ou le LHC au CERN (14 TeV).

Coupe d’un « Dipôle LHC » : les 2 tubes faisceaux où les particules circulent en sens opposés sont entourés d’un aimant dipolaire permettant de courber la trajectoire.

Des supraconducteurs à –272°C dans les accélérateurs?

Oui, le LHC c'est 27 km d'aimants supraconducteurs à -272°C (1.9K).
On en reparle dans un article futur… Supraconducteurs et Cryogénie seront au programme !
par Benjamin Bradu publié dans : Science et Technique
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