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Le besoin en hautes énergies

Désintégrations des rayons cosmiques

Pour étudier la structure de la matière, il faut une sonde capable de "voir" des objets de petite dimension, donc de petite longueur d'onde. D'après la formule de De Broglie, cela revient à disposer d'une grande énergie.

Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées, et donc à des énergies extrêmes.

Les premières études du XXème siècle utilisaient les particules provenant de l'interaction des rayons cosmiques avec les atomes de l'atmosphère. L'avantage est que cela ne coûtait rien, mais les expériences n'étaient pas reproductibles aisément, sans compter que l'énergie en jeu n'était pas bien déterminée.

Les physiciens essayèrent alors d'accélérer des particules avec un champ statique. Cela revient à communiquer de l'énergie via une différence de potentiel, obtenue à l'aide d'une machine électrostatique. Le problème est que l'on est rapidement limité par la tension de claquage : l'énergie maximum est de l'ordre de 10 MeV.

Les accélérateurs linéaires

Principe du linac

Les physiciens se tournèrent alors vers des accélérateurs linéaires, connus sous le nom de linac (pour linear accelerators). Ces accélérateurs sont constitués de plusieurs sous-ensembles successifs :

  • L'émission des particules chargées (grâce à une cathode)
  • L'injection dans le tube cylindrique vide d'air où les particules seront accélérées
  • L'accélération proprement dite

Pour préparer le faisceau de particules à son utilisation, il faut :

  • Une cible métallique destinée à produire des rayons X de haute énergie (pour les applications médicales)
  • Un système de collimation (pour les applications médicales)
  • Un raccordement à un accélérateur circulaire (pour la physique des particules)

On trouve plusieurs techniques d'accélération. Dans le cas des accélérateurs électrostatiques, une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique, l'énergie acquise par les particules est égale en électronvolts à la différence de potentiel ; elle est de quelques MeV. Dans le cas des accélérateurs de type Alvarez, le faisceau en passant dans une suite de cavités ou règne un champ électrique alternatif va pouvoir atteindre une énergie de quelques centaines de MeV.

Les accélérateurs linéaires sont les plus anciens des accélérateurs. Le premier fut l'accélérateur linéaire de Wideroë aux États-Unis, construit en 1930. En France, au début des années 1960, furent construits à Orsay un accélérateur linéaire et son anneau de collision dont l'énergie était de l'ordre du GeV. Actuellement, le plus grand accélérateur linéaire au monde est le SLAC, basé à Stanford aux États-Unis.

Les accélérateurs circulaires

Les cyclotrons

Principe du cyclotron

Dans les cyclotrons, les trajectoires des particules sont des spirales. Ils sont constitués d'un seul aimant de courbure dont le diamètre peut atteindre plusieurs mètres. En France, le GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) situé à Caen est constitué de deux cyclotrons isochrones.

Les particules chargées sont injectées au bord d'une des deux demie-sphère. L'accélération a lieu lorsque les particules passent d'une demie-sphère à l'autre, chaque demie-sphère étant une électrode reliée à un générateur radiofréquence externe qui oscille avec une fréquence indépendante de la vitesse des particules.

L'ensemble est plongé dans un champ magnétique. Le système est valable tant que les particules sont non relativistes. Au-delà, on doit corriger la fréquence, c'est ce que l'on appelle le synchrocyclotron, pour synchroniser les bunches.

Les synchrotrons

Principe du synchrotron

Dans les synchrotrons, les particules circulent sur la même trajectoire presque circulaire à l'intérieur d'une série d'aimants de courbure.

Afin de maintenir les particules sur la même trajectoire, le champ magnétique augmente au fur et à mesure que l'énergie des particules augmente. L'accélérateur est une succession de modules de courbure, d'accélération (cavités radiofréquence ou RF) et de focalisation.

Les particules sont injectées puis extraites à l'aide d'aimants de déflexion rapides : les kickers. Les particules sont groupées sous forme de paquets, et l'accélération RF permet d'homogénéiser l'énergie des particules au sein d'un paquet (stabilité de phase).

Les collisionneurs

Principe du collisionneur

Les collisionneurs sont semblables aux synchrotrons dans le sens où les particules circulent également le long d'une trajectoire circulaire (le phénomène a été accentué sur l'image).

La différence est que les collisionneurs produisent des collisions directement entre deux faisceaux de particules accélérés en sens inverse et non plus sur une cible fixe.

Ils sont constitués d'aimants pour courber la trajectoire des particules et de cavités RF accélératrices. Au CERN, le SPS atteint des énergies de 450 GeV. Il a servi d'injecteur au LEP et sert actuellement au LHC.

L'accélération et le stockage

L'accélération

Dans un synchrotron, les particules sont accélérées par un champ haute fréquence. Dans un collisionneur, l'accélération par ondes électromagnétiques permet de donner plus d'énergie aux particules les plus lentes, alors que les plus rapides sont moins accélérées. On arrive ainsi à produire un faisceau avec une faible dispersion en énergie.

Dans le cas d'une collision sur cible fixe, une partie de l'énergie du projectile sert à déplacer le système. La masse invariante du système, utilisable pour créer d'autres particules, est réduite. Elle varie comme la racine carrée de l'énergie du projectile.

En revanche, dans le cas d'une collision frontale, toute l'énergie est disponible pour la réaction, ce qui confère un net avantage par rapport à la collision sur cible fixe.

Les anneaux de stockage

L'anneau de l'ESRF

Les anneaux de stockage se présentent sous la forme de grands anneaux, à l'intérieur desquels les particules étudiées circulent à très grande vitesse. Celles-ci sont obtenues en soumettant les particules à des champs électriques et les trajectoires sont gérées par des champs magnétiques.

Lorsque les vitesses sont suffisantes, on projette les particules contre d'autres (fixes, ou elles-mêmes en rotation, en sens inverse). La collision permet la désintégration, et la production de nouvelles particules. Certains accélérateurs atteignent des énergies de plusieurs dizaines de GeV.

Certains anneaux sont construits sous terre, comme le CERN par exemple, tandis que l'anneau de stockage de l'ESRF est en extérieur.