Accelerateur de particules

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Accelerateur de particules

Accélérateur de particules

Acc√©l√©rateur Van de Graaff de 2 MeV datant des ann√©es 1960 ouvert pour maintenance.
Le diagramme de Livingston : progr√®s constant de l'√©nergie des faisceaux de particules acc√©l√©r√©es selon le temps.

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. En d'autres termes, ils communiquent de l'énergie aux particules.

On en distingue deux grandes cat√©gories : les acc√©l√©rateurs lin√©aires et les acc√©l√©rateurs circulaires.

En 2004, il y avait plus de 15 000 acc√©l√©rateurs dans le monde[1]. Une centaine seulement sont de tr√®s grosses installations, nationales ou supranationales (CERN). Les machines √©lectrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc mondial des acc√©l√©rateurs industriels d'√©lectrons[2]. De tr√®s nombreux petits acc√©l√©rateurs lin√©aires sont utilis√©s en m√©decine (radioth√©rapie anti-tumorale).

Sommaire

Historique

En 1919, le physicien Ernest Rutherford (1871-1938) transforma des atomes d'azote en isotopes d'atome d'oxyg√®ne en les bombardant avec des particules alpha engendr√©es par un isotope radioactif naturel[3]. Mais l'√©tude de l'atome et surtout de son noyau n√©cessite de tr√®s hautes √©nergies. Les particules provenant des radio-√©l√©ments naturels sont trop peu nombreuses et peu √©nerg√©tiques pour p√©n√©trer la barri√®re de potentiel du noyau des √©l√©ments les plus lourds. Le potentiel √† la surface nucl√©aire cro√ģt d'un million de volts pour l'hydrog√®ne ordinaire √† 16 millions pour l'uranium. Les astroparticules (rayons cosmiques) ont permis des d√©couvertes majeures mais leur √©nergie est tr√®s variable et il faut aller les chercher en altitude o√Ļ elles sont moins rares et plus √©nerg√©tiques. Dans les ann√©es 1920, il appara√ģt √©vident qu'une √©tude plus approfondie de la structure de la mati√®re allait n√©cessiter des faisceaux plus √©nerg√©tiques et plus contr√īl√©s de particules. La source des particules charg√©es √©tait vari√©e. Les d√©charges dans les gaz produisent des ions, alors que pour les √©lectrons, il √©tait possible d'utiliser l'√©mission par un fil chauff√© ou d'autres syst√®mes. L'√©nergie (E) d'une particule dans un champ √©lectrique correspond au produit de sa charge (q) multipli√© par la tension (U) du champ : E = q.U. Ainsi, une premi√®re solution possible √©tait essentiellement d'acc√©l√©rer les particules dans un tube √† vide soumis √† une tr√®s haute tension. La course au million de volts avait commenc√©. Plusieurs syst√®mes furent propos√©s.

Le générateur Cockcroft-Walton était un multiplicateur de tension fait de condensateurs et de redresseurs. C'était un élément d'un accélérateur. Construit en 1937 par Philips à Eindhoven. Exposé au musée des sciences de Londres

En Angleterre, John Cockcroft et Ernest Walton, qui, en 1932, accomplirent la premi√®re d√©sint√©gration r√©ussie du noyau par des particules √©lectriquement acc√©l√©r√©es, utilis√®rent un multiplicateur de tension[4] √† l'aide d'un montage compliqu√© de redresseurs et de condensateurs (montage Greinacher, 1919). Sans aucun doute, l'une des meilleures id√©es fut d√©velopp√©e par Robert Jemison Van de Graaff, qui choisit de d√©velopper une machine √† partir de l'antique √©lectrostatique. Finalement, les autres (tels que Ernest Orlando Lawrence avec son cyclotron) choisirent une voie compl√®tement diff√©rente : renon√ßant √† obtenir d'un coup les 10 ou 20 MeV n√©cessaires pour p√©n√©trer tous les noyaux Ernest Orlando Lawrence pensa atteindre ces √©nergies par des impulsions √©lectriques alternatives successives. Des impulsions p√©riodiques supposent le maintien d'un certain synchronisme avec la particule acc√©l√©r√©e qui d√©crit naturellement une ligne droite √† une tr√®s grande vitesse. En employant un puissant √©lectro-aimant dans l'entrefer duquel les particules sont confin√©es par le champ magn√©tique lui-m√™me, E.O. Lawrence a r√©solu simultan√©ment les deux probl√®mes.

Les principaux ingr√©dients n√©cessaires pour acc√©l√©rer les particules sont les champs √©lectriques et magn√©tiques et un vide de bonne qualit√©[5] ; les champs √©lectriques et magn√©tiques sont utilis√©s pour acc√©l√©rer et diriger les particules et le vide pouss√© permet que les particules acc√©l√©r√©es ne soient pas ralenties suite √† des collisions avec d'autres particules pr√©sentes dans le tube cylindrique au sein duquel circule le faisceau.

La classification des acc√©l√©rateurs de particules peut suivre l'historique des technologies employ√©es : par exemple, l'acc√©l√©rateur √©lectrostatique, les machines ¬ę tandem ¬Ľ, les acc√©l√©rateurs lin√©aires √† hyperfr√©quences, les cyclotrons (dont le cyclotron isochrone et le b√©tatron), les synchrotrons (dont le synchrocyclotron, les synchrotrons √† protons, √† √©lectrons), les anneaux des collisions (anneaux √©lectron-positron, anneaux de collision √† protons). Bien s√Ľr, chaque machine peut √™tre associ√©e aux d√©couvertes historiques qu'elles ont permises.

Les acc√©l√©rateurs peuvent √™tre class√©s selon l'√©nergie :

  • basses √©nergies : de 10 √† 100 MeV
  • moyenne √©nergies : de 100 √† 1 000 MeV
  • hautes √©nergies : plus de GeV et au-del√† du TeV (Tera √©lectronvolt=1012 eV).

D'autres classifications sont possibles selon les applications de l'acc√©l√©rateur : industrie, m√©decine, recherche fondamentale, exploration et compr√©hension des composants √©l√©mentaires de la mati√®re, de l'√©nergie et de l'espace et du temps.

Plus simplement, ces tr√®s grandes machines des XXe et XXIe si√®cles peuvent √™tre class√©es selon la g√©om√©trie des trajectoires de l'acc√©l√©ration : lin√©aire ou circulaire. Le caract√®re fondamental de nombreux acc√©l√©rateurs modernes est la pr√©sence d'un champ magn√©tique enroulant les trajectoires sous forme de cercles ou de spirales. On peut les appeler ¬ę circulaires ¬Ľ. D'autres acc√©l√®rent en ligne droite, on les appelle ¬ę rectilignes ou lin√©aires ¬Ľ.

Le diagramme de Livingston

Stanley Livingston, physicien spécialiste des accélérateurs de particules, a établi ce diagramme dans les années 1960. Il montre la croissance exponentielle de l'énergie des faisceaux accélérés.
Ce diagramme classique est modifi√© : l'axe horizontal a √©t√© √©tendu aux ann√©es 2010. L'axe vertical a √©t√© √©tendu √† 100 000 TeV. Pour comparer les diff√©rents acc√©l√©rateurs, l'√©nergie des collisionneurs, qui s'exprime dans le centre de masse, a √©t√© recalcul√©e comme si l'√©nergie des particules observ√©es √©tait le r√©sultat d'une collision avec un proton au repos. Le co√Ľt par eV d'√©nergie du faisceau est r√©duit d'un facteur 1 000 par p√©riode de 7 ans.
Dans le pass√©, on gagnait un facteur 10 tous les 7-8 ans dans l'√©nergie des collisions r√©alis√©es. Si l'√©volution s'√©tait maintenue, on aurait atteint 60 TeV d√®s 2005. Le LHC (Large Hadron Collider, 7 TeV + 7 TeV, CERN, 2008) ne suit donc pas l'extrapolation. On constate un net fl√©chissement des performances qui indique peut-√™tre un premier signe de fatigue de la discipline[6].

Applications

L'accélérateur de particules AGLAE utilisé pour l'analyse non destructive de pièces de musée.

Les acc√©l√©rateurs ont des applications aussi vari√©es que :

En physique fondamentale, ils servent √† acc√©l√©rer des faisceaux de particules charg√©es (√©lectrons, positons, protons, antiprotons, ions‚Ķ) pour les faire entrer en collision et √©tudier les particules √©l√©mentaires g√©n√©r√©es au cours de cette collision. L'√©nergie des particules ainsi acc√©l√©r√©es se mesure en √©lectron-volts (eV) mais les unit√©s sont souvent le million (1 MeV=106 eV), le milliard d'√©lectronvolts (1 GeV=109 eV). La physique des hautes √©nergies (ou subnucl√©aire ou des particules √©l√©mentaires) se d√©finie justement √† partir du GeV et au-del√†.


Applications générales des accélérateurs de particules
Domaine Méthodes Buts recherchés
Recherche en physique Faisceaux énergétiques de particules Exploration de la matière (voir tableau suivant)
Médecine Production de radioisotopes Imagerie, scintigraphies, traceurs
M√©decine Irradiations : rayons X, gamma, protons, √©lectrons, ions lourds Radioth√©rapie anti tumorale
Electronique Faisceaux d'électrons Gravure des circuits intégrés
Sécurité alimentaire Irradiation des aliments Stérilisation
Archéologie Spectrométrie de masse par accélérateur Datation
Application des accélérateurs pour la recherche
Recherche Méthodes Accélérateurs
Physique des particules Collisions Synchrotrons, collisionneurs à protons ou électrons
Physique nucl√©aire Collisions noyau-noyau Acc√©l√©rateurs d'ions lourds : synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac
Physique atomique Collisions atomiques Acc√©l√©rateurs d'ions lourds : synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac
Matière condensée Diffraction de rayons X Rayonnement synchrotron
Matière condensée Diffusion de neutrons Linac à proton
Biologie, chimie Cristallographie des protéines, des virus, activation Rayonnement synchrotron
Physique des matériaux Analyse par activation, spectrométrie de masse Van de Graaff Tandem

Caractéristiques communes

Tous les acc√©l√©rateurs de particules sont constitu√©s de plusieurs sous-ensembles successifs, remplissant diverses fonctions, de la source √† la cible et dans un vide pouss√© :

  • Production et √©mission des particules charg√©es (par exemple gr√Ęce √† une cathode) : ions (proton) ou √©lectrons en g√©n√©ral, antiparticules comme l'antiproton et le positron.
  • l'injection dans le tube cylindrique vide d'air o√Ļ les particules seront acc√©l√©r√©es.
  • l'acc√©l√©ration proprement dite (√©ventuellement par plusieurs sections successives), utilisant des proc√©d√©s techniques divers : champs √©lectriques continus ou alternatifs √† haute fr√©quence.
  • la focalisation du faisceau pour emp√™cher sa divergence (lentilles magn√©tiques).
  • enfin la pr√©paration du faisceau de particules √† son utilisation :
    • d√©flecteurs qui d√©placent le faisceau dans la direction voulue.
    • syst√®me de collimation (√©galement pour les applications m√©dicales).
    • d√©tecteurs des particules.
    • cible (√©paisse ou mince), m√©tallique destin√©e √† produire des rayons X de haute √©nergie (notamment pour les applications m√©dicales). La cible peut √™tre un autre faisceau.
    • raccordement √† un autre acc√©l√©rateur (recherche en physique des particules).

Les accélérateurs rectilignes ou linéaires

On trouve plusieurs techniques d'acc√©l√©ration, par exemple :

  • les acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques : Une haute tension statique est appliqu√©e entre 2 √©lectrodes produisant ainsi un champ √©lectrique statique :
    • Les multiplicateurs de tension (combinaison en cascade de condensateurs et de redresseurs) de type Greinacher ou Cockcroft et Walton permettent d'obtenir des hautes tensions qui ont les caract√©ristiques des machines proprement √©lectrostatiques (Singletron¬ģ , Tandetron¬ģ de HVEE). L'√©nergie acquise par les particules est √©gale, en √©lectron-volts, √† la diff√©rence de potentiel.
    • Le microscope √©lectronique est le plus connu des acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques. L'acc√©l√©ration sous quelques centaines de keV fournit des longueurs d'ondes adapt√©es aux dimensions des cellules, des virus, des microcristaux et des plus grosses mol√©cules.
    • Le g√©n√©rateur √©lectrostatique le plus typique est le g√©n√©rateur de Van de Graaff : la diff√©rence de potentiel est de quelques MeV (20 MeV pour les acc√©l√©rateurs-tandem de type Vivitron¬ģ ou Laddertron¬ģ ou Pelletron¬ģ). Pour accro√ģtre l'√©nergie √† tension constante, on ne peut qu'augmenter la charge √©lectrique. Mais les sources d'ions multicharg√©s sont, en g√©n√©ral, complexes, et il est peu commode de les loger dans une √©lectrode haute tension. L'acc√©l√©rateur √©lectrostatique tandem (1958) apporte une solution √† ce probl√®me. Les ions produits par la source sont acc√©l√©r√©s jusqu'au milieu du tube (potentiel +V). Ils traversent un √©plucheur d'√©lectrons (stripper), en passant √† travers une faible quantit√© de mati√®re (petite section de gaz ou feuille de m√©tal ou de carbone tr√®s mince). Les ions positifs ainsi form√©s sont acc√©l√©r√©s par la tension V. L'√©nergie finale vaut alors (n+1)eV si n est le nombre de charge de l'ion fourni. La source d'ions et la cible sont toutes deux √† la masse (ou sol). Pour des protons, l'√©nergie finale est le double de celle permise par une machine classique. Les ions les plus lourds peuvent atteindre des √©nergies finales de plusieurs centaines de MeV[7].
  • les acc√©l√©rateurs lin√©aires √† radiofr√©quences de type Widero√ę (1928) ou Alvarez (1947). Couramment appel√©s LINAC (√©l√©ments dispos√©s en ligne droite): la trajectoire des particules est toujours rectiligne, mais le champ √©lectrique est de haute fr√©quence. Les sources alternatives Haute Fr√©quence utilis√©es sont presque toujours des klystrons (tubes amplificateurs hyperfr√©quences) dont la puissance de cr√™te peut atteindre 60 MW. Les particules sont acc√©l√©r√©es par impulsions successives convenablement synchronis√©es sans avoir √† isoler des diff√©rences de potentiel √©quivalentes √† l'√©nergie finale. Le faisceau en passant dans une suite de cavit√©s o√Ļ r√®gne un champ √©lectrique alternatif va pouvoir atteindre une √©nergie de quelques centaines de MeV. On distingue encore deux types selon qu'il s'agit acc√©l√©rateurs d'ions (basses √©nergies) ou d'√©lectrons (haute √©nergie). Les acc√©l√©rateurs lin√©aires sont plus anciens que les acc√©l√©rateurs circulaires ; ils sont apparus d√®s 1931 avec l'acc√©l√©rateur lin√©aire de Widero√ę, repris par Sloan et Lawrence aux √Čtats-Unis.En France, au d√©but des ann√©es 1960, on a construit √† Orsay en Essonne un acc√©l√©rateur lin√©aire et son Anneau de Collision (ACO) dont l'√©nergie √©tait de l'ordre du GeV. Les acc√©l√©rateur lin√©aires ne permettaient pas, initialement, de produire des faisceaux d'aussi grande √©nergie que les acc√©l√©rateurs circulaires. En revanche ils ont de nombreux avantages. En effet, la g√©om√©trie est ¬ę ouverte ¬Ľ, c'est-√†-dire que l'on peut envoyer ou extraire le faisceau facilement et un faisceau de flux √©lev√© pourra √™tre transport√© avec les technologies actuelles. Ils sont souvent utilis√©s comme injecteurs de faisceaux dans les grandes structures (collisionneurs circulaires), et maintenant d√©velopp√©s comme √©l√©ments de grands collisionneurs lin√©aires. Actuellement, le plus grand acc√©l√©rateur lin√©aire au monde est celui de Stanford aux √Čtats-Unis : voir le Centre de l'acc√©l√©rateur lin√©aire de Stanford. Longueur 3 050 m√®tres, nombre de Klystrons 244. Puissance de cr√™te par klystron : 30 MW. √Čnergies maxima 24 GeV (33,4 GeV avec cavit√©s Haute Fr√©quence de stockage). Courant de cr√™te : 80 mA. La puissance √©norme transport√©e par le faisceau (1 MW continu) pose des probl√®mes technologiques.

Les accélérateurs circulaires

Ce sont les acc√©l√©rateurs circulaires qui d√©tiennent le record d'√©nergie. Il est facile de comprendre pourquoi. L'√©nergie re√ßue par m√®tre de trajectoire, c'est-√†-dire l'intensit√© du champ √©lectrique acc√©l√©rateur, est limit√©e par des facteurs physiques et techniques. En ¬ę enroulant ¬Ľ la trajectoire, on obtient l'√©quivalent d'un acc√©l√©rateur rectiligne ayant, non pas des kilom√®tres, mais des milliers de kilom√®tres de longueur.

Parmi les ¬ę circulaires ¬Ľ on distingue d'abord ceux qui emploient un champ magn√©tique fixe, (et un aimant massif) et o√Ļ, par suite, les trajectoires sont des spirales : ce sont le cyclotron (E. Lawrence, 1929) et le synchrocyclotron (con√ßu √† Berkeley en 1946). Au contraire, dans les synchrotrons (E. Mc Millan et V. Veksler), le champ magn√©tique varie pendant l'acc√©l√©ration, de telle sorte que celle-ci a lieu sur un cercle invariable et que l'√©lectroaimant (annulaire) est, √† √©nergie √©gale, consid√©rablement r√©duit. Les synchrotrons sont donc, pour des raisons √©conomiques, les acc√©l√©rateurs permettant d'avoir des orbites de tr√®s grand rayon.

On distingue ainsi deux types d'acc√©l√©rateurs circulaires :

Article d√©taill√© : Cyclotron.

Les trajectoires des particules sont des spirales, sont constitués d'un seul aimant de courbure dont le diamètre peut atteindre plusieurs mètres. Historiquement, le cyclotron a permis la découverte de plusieurs particules fondamentales. Ils peuvent accélérer des particules chargées, des ions lourds mais pas les électrons. En France, le GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) situé à Caen est constitué de deux cyclotrons isochrones.

L'électroaimant du synchrocyclotron au centre de protonthérapie d'Orsay
Article d√©taill√© : Synchrotron.

Contrairement au cyclotron, le champ magnétique n'est pas appliqué sur toute la surface circulaire, mais uniquement sur la circonférence. Dans ce type d'accélérateur, les particules circulent sur la même trajectoire presque circulaire à l'intérieur d'une série d'aimants de courbure. L'accélération est réalisée par un champ électrique résonnant. Le courant alternatif est appliqué seulement sur l'intervalle et non sur tout le parcours des particules. Plus l'énergie augmente, plus la fréquence du signal alternatif appliqué sur l'intervalle doit augmenter, pour maintenir l'accélération constante. Afin de maintenir les particules sur la même trajectoire, le champ magnétique augmente au fur et à mesure que l'énergie des particules augmente. Ces machines ont permis de découvrir de nombreuses particules élémentaires. Un des premiers synchrotrons, le Bévatron (Berkeley, 1954) servit à démontrer l'existence de l'antiproton. Les synchrotrons ont permis d'obtenir des preuves expérimentales d'éléments fondamentaux comme les quarks. Ils sont utilisés dans les collisionneurs actuels. Il y a ceux qui accélèrent les électrons (comme le LEP) et ceux qui accélèrent les protons (comme le SPS). Aujourd'hui un synchrotron (même de troisième génération) est un très grand instrument banalisé, partagé, accessible, formateur et pluridisciplinaire. La lumière synchrotron (rayonnement synchrotron) fait l'objet de demande de temps d'accès en forte croissance dans tous les pays du monde, en particulier en France.

Les machines à rayonnement synchrotron

Article d√©taill√© : rayonnement synchrotron.

Lorsqu'un synchrotron fait tourner des faisceaux d'√©lectrons, l'√©nergie possible est limit√©e par le rayonnement inh√©rent au mouvement circulaire des √©lectrons, qui cro√ģt tr√®s vite et dissipe l'√©nergie re√ßue par les particules[8]. Cette radiation √©lectromagn√©tique est connue sous le nom de ¬ę Bremsstrahlung ¬Ľ dans le cas d'un tube √† rayons X. Dans les acc√©l√©rateurs d'√©lectrons, des cavit√©s r√©sonantes acc√©l√©ratrices fournissent l'√©nergie perdue par le rayonnement synchrotron (ou synchrotronique).

De rayonnement photonique parasitaire (J. Blewett, 1947), la lumière synchrotron est devenue désirable. Des dispositifs scientifiques (onduleurs, anneaux de stockage d'électrons) ont été construits pour paramétrer et utiliser ce rayonnement, dont l'intensité, le spectre (lumière visible, ultraviolet du vide, rayons X, rayons gamma) permettent une exploitation en physique, en chimie, en microlithographie des circuits intégrés, dans l'étude de la matière vivante.

Les synchrotrons produisent des ondes magn√©tiques de toutes longueurs d'onde, utilis√©es par un nombre important de m√©thodes d'analyse de la lumi√®re. Ces machines sont constitu√©es d'une part d'un injecteur et d'un anneau de stockage d'une circonf√©rence de cent √† plusieurs centaines de m√®tres, dans lequel les √©lectrons tournent 350 000 fois par seconde √† une vitesse proche de celle de la lumi√®re, et, d'autre part, de lignes de lumi√®re et de postes exp√©rimentaux p√©riph√©riques qui utilisent la lumi√®re √©mise par les √©lectrons lors de passage dans des aimants de courbure ou des chicanes magn√©tiques (wigglers et onduleurs) plac√©es sur leur trajectoire, lumi√®re d√©nomm√©e rayonnement synchrotron. Le rayonnement des synchrotrons de troisi√®me g√©n√©ration est mille milliard de fois plus brillant que les rayons √©mis par des √©quipements de laboratoire comme les tubes √† rayons X.

Les trois plus grands synchrotrons g√©n√©rateurs de lumi√®re synchrotron sont le SPring-8 (8 GeV) √† Hyogo, Japon, l'APS (Advanced Photon Source, 7 GeV), √† Argonne, USA, et l'ESRF European synchrotron radiation facility, 6 GeV, √† Grenoble, France.

Le Synchrotron SOLEIL (Source optimis√©e de Lumi√®re d'√©nergie interm√©diaire du Lure) est le second site d'un synchrotron de troisi√®me g√©n√©ration en France, sur le plateau de Saclay, Essonne. Le Synchrotron SOLEIL est compos√©e de deux acc√©l√©rateurs (un acc√©l√©rateur lin√©aire et un acc√©l√©rateur circulaire booster) et d'un anneau de stockage, polygone de 354 m de p√©rim√®tre.

Les anneaux de stockage

Ils servent à mettre en attente et à renforcer les faisceaux de particules qui seront injectées dans l'accélérateur collisionneur. Les anneaux de stockage peuvent faire office de collisionneurs lorsque les faisceaux stockés sur des orbites séparées sont mis en interaction ( par court-circuit de la haute tension électrostatique de séparation ).

Anneau de stockage de particules ACO d'Orsay
  • Le choc de front (dans le centre de masse) de deux faisceaux de particules lib√®re toute l'√©nergie cin√©tique acquise lors de l'acc√©l√©ration. Le gain d'√©nergie utile est consid√©rable. Cela ne va pas sans difficult√©s, car la densit√© des particules dans le faisceau d'un acc√©l√©rateur est beaucoup plus faible que la densit√© des noyaux dans une cible fixe. Pour obtenir un taux d'interaction d√©celable, il faut donc disposer de courants acc√©l√©r√©s tr√®s intenses, ce qui a conduit au d√©veloppement des techniques de stockage et d'accumulation des faisceaux. Il s'agit d'un synchrotron dont on garde le champ magn√©tique constant. Deux faisceaux d'√©lectrons et de positrons peuvent y circuler simultan√©ment. L'anneau de stockage peut fonctionner en anneau de collision.
  • L'Anneau de Collision d'Orsay (ACO) a fonctionn√© du d√©but des ann√©es 1960 jusqu'en 1988. Pour provoquer des collisions entre des bouff√©es d'√©lectrons et des bouff√©es de positrons, les particules √©taient inject√©es √† la cadence d'une dizaine de bouff√©es par seconde. Il faut des milliers de bouff√©es pour former un faisceau stock√©. Au total, l'injection des deux types de particules durait environ une demi-heure.
  • Les anneaux de stockage √† intersection (Intersecting Storage Rings ; ISR) permettent de stocker dans deux anneaux s√©par√©s un seul type de particule. Les faisceaux de protons se croisent en 6 ou 8 points. Les ISR (CERN, 1971-1984) √©taient un exploit technique mais les r√©sultats de leur physique n'ont pas √©t√© √† la hauteur. Ils ont permis d'observer la production de particules √† grande impulsion transverse.

Les collisionneurs

Les machines de pointe actuelles sont des collisionneurs[9].

Pour examiner la structure intime des constituants du noyau atomique les acc√©l√©rateurs doivent acc√©l√©rer les particules au-del√† de 1 GeV. Les lois de la m√©canique quantique permettent de d√©crire les particules √† la fois par leur trajectoire physique et par leur fonction d'onde. Si la longueur d'onde de la particule sonde est courte, la mati√®re peut √™tre examin√©e √† une √©chelle extr√™mement petite. La m√©canique quantique met en relation cette longueur d'onde avec l'√©nergie des particules entrant en collision : plus l'√©nergie est haute, plus courte est la longueur d'onde. Il y a une autre raison √† l'utilisation des hautes √©nergies. La plupart des objets qui int√©ressent les physiciens des particules √©l√©mentaires aujourd'hui n'existent pas √† l'√©tat libre dans la nature ; ils doivent √™tre cr√©√©s artificiellement en laboratoire. La c√©l√®bre √©quation E=mc2 gouverne l'√©nergie de collision E requise pour produire une particule de masse m. Plusieurs des particules les plus int√©ressantes sont si lourdes que des √©nergies de collision de centaines de GeV sont n√©cessaires pour les cr√©er. En fait pour comprendre et consolider les th√©ories actuelles il faut aller au-del√† du TeV (en construisant des acc√©l√©rateurs permettant la physique Terascale).

Il y a quatre cat√©gories de collisionneurs :

  • √©lectrons contre positrons. Exemples : le SLAC ; le LEP.
  • hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton contre antiprotons). Exemples : le SPS ; le Tevatron ; le LHC.
  • √©lectrons contre protons. Le seul et unique exemple fut l‚ÄôHERA.
  • ions contre ions. Exemples : le RHIC (en) ; le LHC pourra √©galement faire entrer en collision des ions lourds au sein de l‚Äôexp√©rience ALICE.

Par ailleurs, sont également envisagées des collisions électrons contre ions[10].

Circulaires

Ces acc√©l√©rateurs collisionneurs sont semblables aux synchrotrons dans le sens o√Ļ les particules circulent √©galement le long d'une trajectoire circulaire de rayon invariant. La diff√©rence est que les collisionneurs produisent des collisions directement entre deux faisceaux de particules acc√©l√©r√©s en sens inverse et non plus sur une cible fixe. L'invention des collisionneurs permet de surmonter la baisse de rendement (li√©e aux lois de la m√©canique relativiste) des acc√©l√©rateurs quand l'√©nergie cro√ģt. Le choc entre un proton acc√©l√©r√©, par exemple, avec un proton au repos g√©n√®re, dans le syst√®me du centre de masse, une √©nergie beaucoup plus faible que l'√©nergie du projectile. La proportion d'√©nergie vraiment utilisable d√©croit avec l'√©nergie des projectiles. Si on fait entrer en collision deux particules de directions oppos√©es, chacune ayant l'√©nergie E, l'√©nergie dans le centre de masse sera √©gale √† 2 E. Un tel choc permet d'utiliser toute l'√©nergie produite, et non pas une fraction comme dans les exp√©riences √† cible fixe des acc√©l√©rateurs classiques[11]. Au CERN, √† Gen√®ve, le Super Proton Synchrotron (SPS) atteint des √©nergies de 450 GeV. Il a servi d'injecteur au Large Electron Positron (LEP) et servira Large Hadron Collider (LHC, XXIe si√®cle) qui utilisera largement la supraconductivit√©.

Le système des préaccélérateurs, le collisionneur et les expériences au LHC en 2008.
Les préaccélérateurs sont le PS (Proton Synchrotron) et le SPS (Super Protron Synchrotron). Le Proton Synchrotron Booster n'est pas représenté. Les accélérateurs linéaires permettent de choisir entre les protons et les ions lourds de plomb. Les 4 expériences principales sont représentées en jaune sur le collisionneur.

Linéaires

Les collisionneurs linéaires électrons-électrons.
Le collisionneur lin√©aire √©lectrons - positons de Stanford :
L'ILC (International Linear Collider)[12] est en voie d'√©tude (XXIe si√®cle). Le lieu de construction ainsi que les technologies employ√©es n'ont pas encore √©t√© d√©termin√©s (le Technical Design Report n'est attendu que pour 2010) . Avec le Large Hadron Collider du CERN, il permettra, entre 2015 et 2025, d'explorer la mati√®re au-del√† de nos connaissances actuelles (et des possibilit√©s des acc√©l√©rateurs actuels). La nature des collisions √† l'ILC devrait permettre de compl√©ter les questions soulev√©es par des d√©couvertes du LHC (mati√®re sombre, existence des supersym√©tries). Deux LINAC de 20 kilom√®tres de long se feront face. Les faisceaux d'√©lectrons et de positrons atteindront chacun 99,9999999998 % de la vitesse de la lumi√®re. Chaque faisceau contiendra 10 milliards d'√©lectrons ou de positrons comprim√©s dans une section de trois nanom√®tres. Au rendez-vous des collisions, les cavit√©s acc√©l√©ratrices √† supraconductivit√© op√®reront √† une temp√©rature proche du z√©ro absolu. Les faisceaux entreront en collision 2 000 fois par seconde.

Collision élastique et collision inélastique

Le syst√®me du laboratoire est celui o√Ļ le dispositif exp√©rimental est au repos.
Le syst√®me du centre de masse est celui o√Ļ les deux particules initiales ont des impulsions √©gales et oppos√©es.
Après une collision élastique , les deux particules incidentes sont conservées, seules leurs impulsions sont modifiées. Dans le centre de masse seules les directions des particules ont changé.
Après une collision inélastique, d'autres particules sont créées, à la place ou en plus des particules incidentes. Une partie de l'énergie a été transformée en masse. La somme vectorielle des impulsions est conservée.

Section efficace et luminosité

La probabilit√© d'une interaction lors de la collision entre deux particules s'appelle sa section efficace (dimension d'une surface L2). Son unit√© est le barn (b). 1 b = 10-24 cm2. Les processus rares ou tr√®s rares s'expriment en sous multiples du barn : ¬Ķb (microbarn), nb (nanobarn), pb (picobarn), fb (femtobarn).
La qualit√© d'un collisionneur √† produire des collisions s'appelle sa luminosit√©. Elle se mesure en cm-2.s-1. La haute luminosit√© d'un collisionneur est aussi importante que la haute √©nergie dans la recherche d'√©v√©nements rares. Par exemple le Large Hadron Collider aura une luminosit√© de 1034 cm-2‚čÖs-1 en r√©gime nominal.

Constructeurs

Les accélérateurs électrostatiques

La production commerciale des acc√©l√©rateurs √† courant continu a d√©but√© √† la fin des ann√©es 1930 avec les s√©ries de machines Cockcroft-Walton construites par Philips √† Eindhoven. En France √† la fin de la seconde Guerre mondiale, No√ęl Felici √† Grenoble commen√ßa √† construire des g√©n√©rateurs √©lectrostatiques √† cylindre fonctionnant dans l'hydrog√®ne. La SAMES construisit et commercialisa des g√©n√©rateurs Felici de 1 MV et 100 ¬ĶA jusqu'√† ce qu'ils soient d√©tr√īn√©s par les g√©n√©rateurs √† courants redress√©s. En Suisse, Haefely d√©veloppa des g√©n√©rateurs multiplicateurs de tension, pressuris√©s en air pour alimenter des injecteurs de cyclotron. J. Van de Graaff et ses coll√®gues cr√©√®rent en 1946 l‚ÄôHVEC (High Voltage Engineering Corporation). Des acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques d'√©lectrons et d‚Äôions, avec des √©nergies de 0,4 √† 5,5 MeV entr√®rent en production. La demande fut telle qu'une filiale europ√©enne commen√ßa une production aux Pays-Bas sous le nom de HVEE (High Voltage Engineering Europa). La production d'acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques Tandem commen√ßa en 1958. En URSS la production d'acc√©l√©rateurs √† courroie commen√ßa en 1955 √† L√©ningrad (Institut de recherche en √©lectrophysique Efremov). Des acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques simples √† 5 MV et un Tandem vertical de 6 MV furent con√ßus en URSS et export√©s en Finlande, Chine et ailleurs. En 1958, Radiation Dynamics Inc. construisit des g√©n√©rateurs multiplicateurs de tension de type Dynamitron imagin√©s par Cleland, pour alimenter des acc√©l√©rateurs d'√©lectrons et d'ions. Ray Herb rempla√ßa la courroie des Van de Graaff par un syst√®me de charge par cha√ģne alternant √©l√©ment en nylon et √©l√©ments en acier : le syst√®me Pelletron. En 1964, il fonda NEC (National Electrostatics Corporation) qui construisit des acc√©l√©rateurs verticaux et horizontaux pour la recherche et la physique nucl√©aire. On lui doit le Pelletron de 25 MV de Oak Ridge (record mondial dans cette classe d'acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques). En 1978 Purser, chez General Ionex Corporation, commen√ßa √† fabriquer de petits acc√©l√©rateurs tandem pour la recherche en utilisant le syst√®me invent√© par Cleland. Sous le nom de Tandetron et Singletron, ces machines fond√©es sur des g√©n√©rateurs √† courant continu sont maintenant fabriqu√©es par HVEE. En 1984, Letournel √† Strasbourg cr√©a VIVIRAD (√† l'origine de la fabrication du VIVITRON).

Les autres accélérateurs

L'histoire des constructeurs des cyclotrons et des synchrotrons reste √† √©crire. Les grands √©quipements ont fait l'objet d'une coop√©ration o√Ļ l'on trouve les noms de General Electric, Siemens, la Compagnie g√©n√©rale de radiologie, Alsthom, Mitsubishi, Kraftanlagen, Argos.

Dans les applications médicales (radiothérapie) les petits accélérateurs linéaires sont construits par Varian Clinac (Varian - Linear accelerators), Siemens , Elekta, OSI (Oncology Services International),IBA (Ion Beam Application) à Louvain-la-Neuve, Belgique.

Les 20 km d'√©lectro-aimants du LHC sont bobin√©s avec 7 000 km de c√Ęble supraconducteur. Ce c√Ęble est produit, depuis l'an 2000, dans quatre usines en Europe, une au Japon et une aux √Čtats-Unis. Au total, quatre entreprises sont impliqu√©es dans cette production : Alstom, European Advanced Superconductors, Outokumpu et Furukawa.

Les apports de la supraconductivité

C√Ębles d'alimentation des exp√©riences du CERN : en haut, les c√Ębles du LEP ; en blanc, les c√Ębles du LHC, supraconducteurs (m√™me puissance).

Un des progr√®s technique les plus importants des ann√©es 1970-1990 a √©t√© la maitrise des supraconducteurs destin√©s aux aimants et aux cavit√©s acc√©l√©ratrices. Certains m√©taux refroidis √† une temp√©rature proche du z√©ro absolu (-273 ¬įC) perdent alors toute r√©sistivit√© √©lectrique, ce qui permet d'y faire circuler sans perte des courants √©lev√©s. Fabriquer des √©lectro-aimants supraconducteurs a √©t√© une suite de difficult√©s li√©es au quenching (le champ magn√©tique peut alt√©rer la supraconductivit√© et donc le m√©tal supraconducteur). Les √©lectro-aimants doivent atteindre 4 √† 5 Teslas (40 000 √† 50 000 Gauss) pour √™tre utilis√©s dans les acc√©l√©rateurs. Le but a √©t√© atteint avec le Tevatron gr√Ęce √† un anneau d'aimants supraconducteurs. La supraconductivit√© peut r√©duire la consommation √©lectrique des cavit√©s √† radiofr√©quences, surtout dans les collisionneurs √©lectrons-positrons, o√Ļ l'√©nergie se dissipe en chaleur presqu'autant qu'elle est communiqu√©e aux particules .

Liste d’accélérateurs

Voir la liste mise à jour régulièrement par ELSA, institut de physique, université de Bonn (Allemagne).

Les sites géographiques

Le Tevatron au Fermilab à Chicago
L'acc√©l√©rateur de particules du Weizmann Institute of Science, Isra√ęl.
√Čl√©ment de l'acc√©l√©rateur DESY

√Čtats-Unis : Brookhaven, Cornell, Stanford, Fermilab

Europe

Russie et Biélorussie

Chine : P√©kin

Japon

Corée

Les échecs ou les projets abandonnés

ISABELLE (Intersting Storage Accelerator + Belle)

Anneau de stockage et collisionneur proton-proton qui devait √™tre op√©rationnel au Laboratoire national de Brookhaven (BNL). Les travaux ont commenc√© en 1978 mais en 1981 les aimants supraconducteurs ne se sont pas montr√©s aussi puissants qu'il aurait fallu. C'est le retard de la mise au point de ces aimants √† supraconducteurs qui ont amen√© la faillite du projet[14]. La d√©couverte en 1983 des bosons W et Z¬į au CERN a diminu√© ensuite l'attrait du projet ISABELLE (en). Le projet est abandonn√© en juillet 1983 par le d√©partement de l'√Čnergie.

Le Super Collisionneur Supraconducteur SSC

D'une circonf√©rence de 87 kilom√®tres sur une aire de Waxahachie au Texas ce collisionneur de hadrons, surnomm√© Desertron, devait transporter des faisceaux de 20 TeV pour contribuer √† la mise en √©vidence du Boson de Higgs. La construction a commenc√© en 1991 et 23,5 kilom√®tres de tunnel √©taient creus√©s fin 1993. Le Congr√®s am√©ricain d√©cida d'abandonner le projet en 1993 en raison du co√Ľt prohibitif de la r√©alisation et peut-√™tre de l'effondrement de l'Union sovi√©tique. Le site est actuellement inoccup√©.

Cet abandon laisse son concurrent européen, le Large Hadron Collider, seul en course pour relever le défi de la confirmation expérimentale de l'existence du boson de Higgs.

Le Vivitron de l'IReS

Le Centre de recherches nucl√©aires de Strasbourg avait une exp√©rience solide en mati√®re d'acc√©l√©rateurs √©lectrostatiques de diverses √©nergies. Le dernier acquis, au d√©but des ann√©es 1970, √©tait un Van de Graaff Tandem dont la tension maximale avait √©t√© port√©e √† 16 millions de volts. L'id√©e de base, une meilleure distribution du champ √©lectrique gr√Ęce √† des √©lectrodes dispos√©es judicieusement, fut incorpor√©e dans le projet d'un acc√©l√©rateur √©lectrostatique, le Vivitron, d'une tension maximale de 35 millions de volts, en principe.

Les prouesses techniques √©taient prometteuses, les dimensions impressionnantes : longueur de ¬ę tank ¬Ľ de 50 m√®tres, diam√®tre au centre du tank 8,50 m√®tres, 60 tonnes de SF6. Donc la courroie de charge avait une longueur de 100 m√®tres et allait d'un bout √† l'autre du tank. Ce Van de Graaff tandem diff√©rait des plus grandes machines de ce type par sa structure m√©canique interne, r√©alis√©e √† partir de longerons horizontaux de grande longueur en composite √©poxy-fibre de verre et de plots radiaux en √©poxy charg√©e d'alumine. La distribution uniforme du champ √©lectrique √©tait obtenue par un syst√®me de 7 portiques √©quip√©s chacun de 7 √©lectrodes discr√®tes. Les √©tudes ont commenc√© en 1983, le montage entre 1990 et 1993. En 1996, le fonctionnement √©tait fiable √† 18 MV. Le cahier des charges n'a pas √©t√© rempli, la tension maximale atteinte a √©t√© de 25 millions de volts (comme dans les projets similaires aux √Čtats-Unis et en Grande-Bretagne). L'exploitation du Vivitron a pris fin en 2003.

Les accélérateurs de demain

Le Comité International pour les futurs accélérateurs

Le probl√®me financier devient d'autant plus sensible que la taille des acc√©l√©rateurs tend √† cro√ģtre d√©mesur√©ment[15]. √Ä la suite des r√©flexions de l'ICFA[16], plusieurs √©quipes ont entrepris de rechercher de nouvelles techniques d'acc√©l√©ration des particules. La science des acc√©l√©rateurs qui √©tait jusqu'√† pr√©sent l'apanage des laboratoires constructeurs, est maintenant l'objet de collaborations entre les sp√©cialistes des plasmas, ceux des lasers et d'autres branches de la physique.

Perspectives

Accélérateurs linéaires de physique fondamentale

La notion Terascale qualifie une physique qui d√©crit les collisions des particules √† hautes √©nergies √† partir du TeV (1012 eV). Le LHC et le Tevatron sont des acc√©l√©rateurs Terascale.

  • L'apr√®s LHC (collisionneur circulaire) est repr√©sent√© au DESY (Deutsche Elektron Synchrotron, Allemagne) par le projet de super-collisionneur lin√©aire TESLA Tera-Electronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator), collisionneur lin√©aire e+e- enti√®rement supraconducteur. Le projet TESLA est un acc√©l√©rateur lin√©aire de 33 kilom√®tres de long, 21 000 cavit√©s supraconductrices qui fonctionneront √† -271 ¬įC, des champs d'acc√©l√©ration sup√©rieurs √† 25 MV/m√®tre, 500 GeV √† 800 GeV d'√©nergie disponible √† chaque collision. Le boson de Higgs et les indices des supersym√©tries seront √©tudi√©s.
  • Une deuxi√®me voie est repr√©sent√©e par le projet CLIC, pr√©par√© par le CERN mais en retard sur TESLA. L‚Äôacc√©l√©rateur lin√©aire du CERN qui succ√©dera au LHC, est le Compact LInear Collider (CLIC), qui utilisera des cavit√©s acc√©l√©ratrices en cuivre. Le projet CLIC vise une √©nergie de 3 √† 5 TeV. Ses cavit√©s en cuivre permettent d‚Äôobtenir de tr√®s grandes acc√©l√©rations des particules, ce qui r√©duit la taille de l‚Äôacc√©l√©rateur. Il adopte un concept appel√© ¬ę acc√©l√©ration √† deux faisceaux ¬Ľ, qui consiste √† utiliser un faisceau de faible √©nergie et de haute intensit√© (faisceau pilote) pour cr√©er un faisceau √† haute √©nergie et de faible intensit√© (faisceau principal), en quelque sorte l‚Äô√©quivalent d‚Äôun transformateur √©lectrique. Cela reste toutefois √† valider sur le plan technologique.
  • L‚ÄôInternational Linear Collider (ILC) concurrent de CLIC est plus avanc√© mais moins puissant que lui (sa technologie est plus ma√ģtris√©e). Pr√©vu pour les ann√©es 2012-2019 (collisionneur lin√©aire e+e- de 31 km de long). L'ILC souffre cependant du d√©sengagement des gouvernements britanniques et am√©ricains[17].
  • Le projet X est un mod√®le r√©duit (700 m√®tres) de l'ILC, acc√©l√©rateur lin√©aire √† protons de 8 GeV qui serait int√©gr√© au centre de l'anneau du Tevatron.
  • Les physiciens am√©ricains (Fermilab) envisagent des collisions de muons et des usines √† neutrinos.

Accélérateurs synchrotrons

Alors que l'on se trouve déjà à la 6e génération de machines, l'évolution technique des synchrotrons est loin d'être achevée, des progrès étant attendus sur les onduleurs, l'optique des lignes de lumière, et l'instrumentation, et notamment les détecteurs. De nouvelle perspectives existent en termes de machines dérivées des actuels synchrotrons mais complémentaires, les lasers à électrons libres (LEL)[18].

Alternatives

Dans ces structures conventionnelles, le champ acc√©l√©rateur est limit√© √† quelque 50 MV/m √† cause de claquage des parois pour des champs plus importants. Afin d'atteindre des √©nergies √©lev√©es, il faut donc construire des structures gigantesques (LEP, LHC mais abandon du SSC). Une alternative possible est l'acc√©l√©ration d'√©lectrons par interaction laser-plasma. L'acc√©l√©ration a lieu dans un milieu d√©j√† ionis√©, ce qui √©limine les probl√®mes de claquage. Les champs acc√©l√©rateurs sont aussi nettement plus √©lev√©s, ce qui permet de r√©duire la longueur d'acc√©l√©ration.

Bibliographie

  • Patrick Janot, ¬ę Des g√©ants pour traquer l'infiniment petit ¬Ľ, Pour la Science, n¬į361, novembre 2007, p. 98-104

Références

  1. ‚ÜĎ Hellborg R.Ragnar, Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications, New York : Springer, 2005
  2. ‚ÜĎ Letournel M. , Vivirad , Strasbourg
  3. ‚ÜĎ E. Rutherford - London, Edinburgh and Dublin Philos. Mag. J. Sci, 6th series, 1919, 37 ,581
  4. ‚ÜĎ J.D. Cockcroft, E.T.S. Walton - Proc. Roy. Soc. 1932 , A 136, 619 et 137, 229
  5. ‚ÜĎ Michel Crozon , La Mati√®re premi√®re - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions, p. 340, Seuil, 1987
  6. ‚ÜĎ Vanucci F., ATLAS, le nouveau d√©fi des particules √©l√©mentaires, Ellipses, 2007, p. 37
  7. ‚ÜĎ Daniel Bussard, Les Acc√©l√©rateurs de particules, 1984, PUF, Que sais-je n¬į 1316, p. 32-33
  8. ‚ÜĎ No√ęl Felici, Acc√©l√©rateurs de particules et progr√®s scientifique, Dunod, Paris, 1960.
  9. ‚ÜĎ Michel Crozon, L‚ÄôUnivers des particules, √Čditions du Seuil, mai 1999
  10. ‚ÜĎ (en)arxiv.org ; Study of the Fundamental Structure of Matter with an Electron-Ion Collider ; il en est √©galement question (en)dans l‚Äôarticle sur le RHIC (voir eRHIC)
  11. ‚ÜĎ Michel Crozon, La Mati√®re premi√®re - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions, p. 199, Seuil, 1987.
  12. ‚ÜĎ ILC Home
  13. ‚ÜĎ a‚ÄČ, b‚ÄČ, c‚ÄČ et d‚ÄČ Source : International Atomic Energy Agency
  14. ‚ÜĎ Michel Crozon, La Mati√®re premi√®re - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions, p. 268, Seuil, 1987
  15. ‚ÜĎ Michel Crozon, La Mati√®re premi√®re - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions, p. 327, Seuil, 1987 .
  16. ‚ÜĎ International Comitee for Future Accelerators
  17. ‚ÜĎ Voir ici pour le gouvernement britannique et l√† pour le gouvernement am√©ricain
  18. ‚ÜĎ Laser √† √©lectrons libres du Jefferson Laboratory

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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