Accélérateur de particules
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Les accélérateurs de particules sont des instruments destinés à la recherche fondamentale en sciences physiques. Ils servent à accélérer des faisceaux de particules chargées (électrons, positrons, protons, antiprotons, ions...) pour les faire entrer en collision et étudier les particules élémentaires générées au cours de cette collision. L'énergie des particules ainsi accélérées se mesure en électronvolts (eV) mais les unités sont souvent le million (1Mev=106 eV), le milliard d'électronvolts (1Gev=109 eV).
Les accélérateurs actuels ont des énergies de plusieurs centaines de GeV.
On distingue plusieurs types d'accélérateurs de particules.
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Les accélérateurs linéaires
Il y a là aussi plusieurs types :
- Les accélérateurs électrostatiques : Une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique, l'énergie acquise par les particule est égale en électronvolts à la différence de potentiel, elle est de quelques MeV.
- Les accélérateurs de type Wideroë ou Alvarez : le faisceau en passant dans une suite de cavités ou règne un champ électrique alternatif va pouvoir atteidre une énergie de quelques centaines de MeV.
Les accélérateurs linéaires sont les plus anciens, ils sont apparus dès 1930 avec l'accélérateur linéaire de Wideroë aux États-Unis.
En France, au début des années 60, on a construit à Orsay en Essonne un accélérateur linéaire et son Anneau de Collision (ACO) dont l'énergie était de l'ordre du GeV.
Actuellement, le plus grand accélérateur linéaire au monde est celui de Stanford aux États-Unis.
Les accélérateurs circulaires
On distingue aussi deux types d'accélérateurs circulaires :
- les cyclotrons où les trajectoires des particules sont des spirales, 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 cyclotons isochones.
- les synchrotrons : Dans ce type d'accélérateur, 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.
Au CERN, à Genève, le SpS (Super Synchotron à Proton) atteint des énergies de 450 GeV. Il a servi d'injecteur au LEP et servira au futur Large Hadron Collider ou LHC.
Les anneaux de stockage
Certains sont construits sous terre, ils se présentent sous la forme de grands anneaux, à l'intérieur desquels les particules étudiées circulent à très grande vitesse. Ces grandes vitesses 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 accélerateurs atteignent des énergies de plusieurs dizaines de GeV. Le futur Large Hadron Collider (Grand Collisionneur Hadronique) devrait atteindre des énergies de l'ordre de 14 TeV (Tera électronvolt=1012 eV).
Liste d'accélérateurs
- GANIL à Caen (France)
- Large Electron Positron ou LEP au CERN à Genève
- Large Hadron Collider ou LHC au CERN à Genève
- Hadron Electron Ring Accelerator ou HERA à Hambourg
- Tevatron au Fermilab à Chicago (USA)
- PETRA à Hambourg
- KEK à Tsukuba (Japon)
Alternatives
Dans ces structures conventionnelles, le champ accélérateur est limité à quelques 50MV/m à cause de claquage des parois pour des champs plus importants. Afin d'atteindre des énergies élevées, il faut donc construire des structures gigantesques. Une alternative possible est l'accélération d'électrons lors de l'interaction laser-plasma. L'accélération a lieu dans un milieu déjà ionisé, ce qui élimine les problèmes de claquage. Les champs accélérateurs sont aussi nettement plus élevés, ce qui permet de réduire la longueur d'accélération.