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Accélérateur de particules

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Un proton et un anti-proton entrant en collision dans un accélérateur à haute énergie. Leur énergie de masse et leur énergie cinétique ont été transformées en une pluie de toutes sortes de particules.

Le principe de base de l'accélérateur de particules est simple: entrer en collision à haute énergie et détecter ce qui sort.

En 1909, Ernest Rutherford a découvert que l'atome se compose d'un petit noyau massif et chargé positivement entouré d'un nuage houleux d'électrons lumineux 10 000 fois plus gros. Pour comprendre la structure de ce noyau atomique, les scientifiques ont mis au point diverses "sondes" au cours des dernières années, la plus utile étant le neutron électriquement neutre et une variété de particules chargées électriquement. Comme le neutron n'est pas repoussé par la charge nucléaire, ceux à faible vitesse font très bien office de sondes (voir fission nucléaire). Les particules chargées, cependant, pénètrent mieux lorsqu'elles sont très énergétiques. Accélérer l'énergie de telles sondes est le rôle de l'accélérateur de particules.

Les toutes premières sondes à haute énergie ont été fournies par la nature, en termes de rayons alpha, bêta et gamma des éléments radioactifs. En fait, Rutherford a utilisé les alphas à haute énergie du radium comme sonde pour établir son modèle de l'atome. Bien que les rayons cosmiques aient été (et sont toujours) utilisés comme sondes - le positron a été découvert de cette façon - presque tous les progrès de la physique des particules ont été réalisés en utilisant des accélérateurs artificiels avec une puissance toujours croissante.

Au fur et à mesure que la puissance des sondes augmentait, une pléthore de particules ont été découvertes, devenant ce qu'on appelait un «zoo de particules». Finalement, ils ont tous été organisés selon un système appelé le modèle standard. Dans la bombe atomique, la matière est transformée en énergie; dans un accélérateur de particules à haute énergie, l'énergie est transformée en matière.

Un accélérateur de particules utilise des champs électriques pour propulser des particules chargées électriquement à des vitesses élevées et pour les contenir. Un téléviseur CRT ordinaire est une forme simple d'accélérateur.

Il existe deux types d'accélérateurs de base: linéaire et circulaire. Les deux conceptions ont des limites. Plus un accélérateur linéaire est long, plus l'énergie qui peut être transmise est élevée, donc les limites sont fixées par la longueur pratique. Dans une conception circulaire, la longueur est illimitée. Les limites se posent ici parce que le fait de faire tourner les charges électriques en cercle leur fait perdre de l'énergie. À mesure qu'ils accélèrent, plus d'énergie est perdue, jusqu'à ce qu'ils finissent par perdre de l'énergie aussi rapidement qu'elle peut être pompée.

Un accélérateur linéaire Van Me Graaff à un étage des années 1960, ouvert ici pour la maintenance.

Accélérateurs linéaires

Dans un accélérateur linéaire (linac), les particules sont accélérées en ligne droite avec une cible d'intérêt à une extrémité.

Lignes de faisceaux menant de l'accélérateur Van de Graaff à diverses expériences, au sous-sol du campus Jussieu à Paris.

Les accélérateurs linéaires à haute énergie utilisent un réseau linéaire de plaques (ou tubes à dérive) auxquels un champ alternatif à haute énergie est appliqué. Lorsque les particules approchent d'une plaque, elles sont accélérées vers elle par une charge de polarité opposée appliquée à la plaque. Lorsqu'ils passent à travers un trou dans la plaque, la polarité est commutée de sorte que la plaque les repousse maintenant et ils sont ensuite accélérés par elle vers la plaque suivante. Normalement, un flux de "grappes" de particules est accéléré, de sorte qu'une tension alternative soigneusement contrôlée est appliquée à chaque plaque pour répéter cette opération en continu pour chaque grappe.

Dans les premiers accélérateurs de particules, un multiplicateur de tension Cockcroft-Walton était responsable de la multiplication de tension. Cette pièce de l'accélérateur a aidé au développement de la bombe atomique. Construit en 1937 par Philips d'Eindhoven, il réside actuellement au National Science Museum de Londres, en Angleterre.

Au fur et à mesure que les particules approchent de la vitesse de la lumière, la vitesse de commutation des champs électriques devient si élevée qu'elles fonctionnent à des fréquences micro-ondes, et donc des résonateurs à cavité RF sont utilisés dans des machines à plus haute énergie au lieu de simples plaques.

Les types d'accélérateurs à courant continu capables d'accélérer les particules à des vitesses suffisantes pour provoquer des réactions nucléaires sont les générateurs Cockcroft-Walton, ou multiplicateurs de tension, qui convertissent le courant alternatif en courant continu à haute tension, ou les générateurs Van de Graaff qui utilisent de l'électricité statique transportée par des courroies.

Les accélérateurs de particules les plus grands et les plus puissants, tels que le RHIC, le LHC (dont la mise en service est prévue en 2008) et le Tevatron, sont utilisés pour la physique expérimentale des particules.

Les accélérateurs de particules peuvent également produire des faisceaux de protons, qui peuvent produire des isotopes de recherche ou des isotopes "lourds en protons", par opposition à ceux "lourds en neutrons" fabriqués dans les réacteurs à fission. Un exemple de ce type de machine est LANSCE à Los Alamos.

Exemples

Des exemples quotidiens d'accélérateurs de particules sont ceux que l'on trouve dans les téléviseurs et les générateurs de rayons X. Les accélérateurs à faible énergie, tels que les tubes à rayons cathodiques et les générateurs de rayons X, utilisent une seule paire d'électrodes avec une tension continue de quelques milliers de volts entre elles. Dans un générateur de rayons X, la cible elle-même est l'une des électrodes. Un accélérateur de particules à basse énergie, appelé implanteur ionique, est utilisé dans la fabrication de circuits intégrés.

Les linacs sont très largement utilisés. Ils sont également utilisés pour fournir un coup de pied initial à faible énergie aux particules avant leur injection dans des accélérateurs circulaires. Le plus long linac au monde est le Stanford Linear Accelerator, SLAC, qui mesure 3 km (2 miles) de long. SLAC est un collisionneur électron-positon.

Les accélérateurs linéaires sont également largement utilisés en médecine, pour la radiothérapie et la radiochirurgie. Les linacs de qualité médicale accélèrent les électrons à l'aide d'un klystron et d'un arrangement d'aimants de flexion complexes, qui produisent un faisceau de 6 à 30 millions d'énergie électron-volt (MeV). Les électrons peuvent être utilisés directement ou ils peuvent entrer en collision avec une cible pour produire un faisceau de rayons X. La fiabilité, la flexibilité et la précision du faisceau de rayonnement produit ont largement supplanté l'utilisation ancienne de la thérapie au cobalt 60 comme outil de traitement.

Accélérateurs électrostatiques tandem

Dans un accélérateur en tandem, l'ion chargé négativement gagne de l'énergie par attraction à la très haute tension positive au centre géométrique du récipient sous pression. Lorsqu'il arrive dans la région centrale connue sous le nom de borne haute tension, certains électrons sont retirés de l'ion. L'ion devient alors positif et accéléré par la haute tension positive. Ainsi, ce type d'accélérateur est appelé accélérateur "tandem". L'accélérateur a deux étapes d'accélération, tirant d'abord puis poussant les particules chargées. Un exemple d'accélérateur tandem est ANTARES (Australian National Tandem Accelerator for Applied Research).

Accélérateurs circulaires

le accélérateur de particules à l'Institut Weizmann des sciences, Rehovot.Photo aérienne du FermilabSegment d'un accélérateur de particules à DESY

Dans l'accélérateur circulaire, les particules se déplacent en cercle jusqu'à atteindre une énergie suffisante. La piste de particules est généralement pliée en cercle à l'aide d'électro-aimants. L'avantage des accélérateurs circulaires par rapport aux accélérateurs linéaires est que la topologie en anneau permet une accélération continue, car la particule peut transiter indéfiniment. Un autre avantage est qu'un accélérateur circulaire est relativement plus petit qu'un accélérateur linéaire de puissance comparable (c'est-à-dire qu'un linac devrait être extrêmement long pour avoir la puissance équivalente d'un accélérateur circulaire).

En fonction de l'énergie et de la particule accélérées, les accélérateurs circulaires souffrent d'un inconvénient en ce que les particules émettent un rayonnement synchrotron. Lorsqu'une particule chargée est accélérée, elle émet à la fois un rayonnement électromagnétique et des émissions secondaires. Comme une particule voyageant dans un cercle accélère toujours vers le centre du cercle, elle rayonne en continu vers la tangente du cercle. Ce rayonnement est appelé lumière synchrotron et dépend fortement de la masse de la particule accélératrice. Pour cette raison, de nombreux accélérateurs d'électrons à haute énergie sont des linacs.

Rayonnement synchrotron

Le rejet d'énergie par les particules électriques forcées de se courber est appelé rayonnement synchrotron. Plus la courbe est serrée, plus la perte d'énergie est importante, c'est pourquoi les accélérateurs circulaires sont aussi grands que possible, minimisant la courbure.

Certains accélérateurs circulaires ont été construits pour générer délibérément un rayonnement (appelé lumière synchrotron) sous forme de rayons X, par exemple, la source de lumière diamantée en cours de construction au laboratoire Rutherford Appleton en Angleterre ou la source photonique avancée à l'Argonne National Laboratory dans l'Illinois. Les rayons X à haute énergie sont utiles pour la spectroscopie aux rayons X des protéines ou la structure fine d'absorption des rayons X (XAFS).

Le rayonnement synchrotron est émis plus puissamment par des particules plus légères, de sorte que ces accélérateurs sont invariablement des accélérateurs d'électrons. Le rayonnement synchrotron permet une meilleure imagerie tel que recherché et développé au SLAC du SPEAR. En revanche, les physiciens des particules utilisent de plus en plus de particules plus massives, telles que des protons (ou noyaux), dans leurs accélérateurs pour atteindre des énergies plus élevées. Ces particules sont des composites de quarks et de gluons, ce qui rend l'analyse des résultats de leurs interactions beaucoup plus compliquée, et aussi d'un grand intérêt scientifique.

Histoire des cyclotrons

Les premiers accélérateurs circulaires étaient des cyclotrons, inventés en 1929 par Ernest O. Lawrence à l'Université de Californie, Berkeley. Les cyclotrons ont une seule paire de plaques creuses en forme de D pour accélérer les particules et un aimant dipôle unique pour courber la trajectoire des particules. Les particules sont injectées au centre de la machine circulaire et tournent vers l'extérieur vers la circonférence. Un autre type d'accélérateur circulaire, inventé en 1940 pour accélérer les électrons, est le Betatron.

Les cyclotrons atteignent une limite d'énergie en raison des effets relativistes aux hautes énergies qui rendent les particules plus difficiles à accélérer. Bien que la théorie spéciale de la relativité empêche la matière de voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide, les particules dans un accélérateur se déplacent normalement très près de la vitesse de la lumière. Dans les accélérateurs à haute énergie, le retour de vitesse diminue à mesure que la particule s'approche de la vitesse de la lumière. Par conséquent, les physiciens des particules ne pensent généralement pas en termes de vitesse, mais plutôt en termes d'énergie d'une particule, généralement mesurée en électrons volts (eV).

Les cyclotrons ne peuvent plus accélérer les protons lorsqu'ils ont atteint une énergie d'environ 10 millions d'électrons volts (10 MeV), car les protons sont déphasés avec le champ électrique moteur. Ils continuent de tourner en spirale vers un rayon plus grand mais, comme expliqué ci-dessus, ne gagnent plus assez de vitesse pour boucler le plus grand cercle aussi rapidement. Ils sont néanmoins utiles pour les applications "basse énergie". Il existe des moyens de compenser cela dans une certaine mesure, à savoir le synchrocyclotron et le cyclotron isochrone.

Pour rendre les énergies encore plus élevées, à des milliards d'électrons volts (GeV), il est nécessaire d'utiliser un synchrotron. Il s'agit d'un accélérateur dans lequel les particules sont contenues dans un tube en forme de beignet, appelé anneau de stockage. Le tube a de nombreux aimants répartis autour de lui pour concentrer les particules et courber leurs traces autour du tube, et des cavités micro-ondes réparties de manière similaire pour les accélérer.

La taille du premier cyclotron de Lawrence n'était que de 4 pouces (100 mm) de diamètre. Le Fermilab a un anneau avec une trajectoire du faisceau de 4 miles (6 km). Le plus grand accélérateur circulaire jamais construit était le synchrotron LEP du CERN, avec une circonférence de 26,6 kilomètres, qui était un collisionneur électron / positron. Il a été démantelé et le tunnel souterrain est réutilisé pour un collisionneur proton / proton appelé le LHC. Le Supercollider supraconducteur (SSC) avorté au Texas aurait eu une circonférence de 87 km. La construction a commencé mais elle a ensuite été abandonnée bien avant la fin. De très grands accélérateurs circulaires sont invariablement construits dans des tunnels souterrains de quelques mètres de large pour minimiser la perturbation et le coût de construction d'une telle structure en surface, et pour fournir un blindage contre le rayonnement synchrotron intense.

Les accélérateurs de courant tels que la source de neutrons de spallation, incorporent des cryomodules supraconducteurs. Le collisionneur d'ions lourds relativiste et le prochain grand collisionneur de hadrons utilisent également des aimants supraconducteurs et des résonateurs à cavité RF pour accélérer les particules.

Un aimant dans le synchrocyclotron du centre de protonthérapie d'Orsay

Cibles et détecteurs

La sortie d'un accélérateur de particules peut généralement être dirigée vers plusieurs lignes d'expériences, une à la fois, au moyen d'un électro-aimant déviant. Cela permet de réaliser plusieurs expériences sans avoir à déplacer des objets ou à arrêter l'intégralité du faisceau d'accélérateur. À l'exception des sources de rayonnement synchrotron, l'objectif d'un accélérateur est de générer des particules de haute énergie pour l'interaction avec la matière.

Il s'agit généralement d'une cible fixe, comme le revêtement de phosphore à l'arrière de l'écran (dans le cas d'un tube de télévision); un morceau d'uranium dans un accélérateur conçu comme source de neutrons; ou une cible en tungstène pour un générateur de rayons X. Dans un linac, la cible est simplement montée à l'extrémité de l'accélérateur. La trace des particules dans un cyclotron est une spirale vers l'extérieur du centre de la machine circulaire, de sorte que les particules accélérées émergent d'un point fixe, tout comme dans un accélérateur linéaire.

Pour les synchrotrons, la situation est plus complexe. Les particules sont accélérées à l'énergie souhaitée. Ensuite, un aimant dipôle à action rapide est utilisé pour commuter les particules hors du tube synchrotron circulaire et vers la cible.

Une variante couramment utilisée pour la recherche en physique des particules est un collisionneur, également appelé «collisionneur à anneau de stockage». Deux synchrotrons circulaires sont construits à proximité les uns des autres, généralement les uns au-dessus des autres et en utilisant les mêmes aimants (qui sont alors de conception plus compliquée pour accueillir les deux tubes de faisceau). Des grappes de particules se déplacent dans des directions opposées autour des deux accélérateurs et entrent en collision aux intersections entre elles. Cela peut augmenter considérablement l'énergie; alors que dans une expérience à cible fixe, l'énergie disponible pour produire de nouvelles particules est proportionnelle à la racine carrée de l'énergie du faisceau, dans un collisionneur, l'énergie disponible est linéaire.

Énergies supérieures

À l'heure actuelle, les accélérateurs à énergie la plus élevée sont tous des collisionneurs circulaires, mais il est probable que des limites ont été atteintes en matière de compensation des pertes de rayonnement synchrotron pour les accélérateurs d'électrons, et la prochaine génération sera probablement des accélérateurs linéaires 10 fois la longueur actuelle. Un exemple d'un tel accélérateur d'électrons de nouvelle génération est le collisionneur linéaire international de 40 km de long, qui devrait être construit entre 2015-2020.

En 2005, on pense que l'accélération du champ de sillage du plasma sous la forme de "post-brûleurs" à faisceau d'électrons et de pulseurs laser autonomes entraînera une augmentation spectaculaire de l'efficacité d'ici deux à trois décennies. Dans les accélérateurs de champ de sillage à plasma, la cavité du faisceau est remplie de plasma (plutôt que de vide). Une courte impulsion d'électrons ou de lumière laser constitue ou suit immédiatement les particules qui sont accélérées. L'impulsion perturbe le plasma, provoquant l'intégration des particules chargées dans le plasma et leur déplacement vers l'arrière du tas de particules en cours d'accélération. Ce processus transfère l'énergie au tas de particules, l'accélère encore et se poursuit tant que l'impulsion est cohérente.1

Des gradients d'énergie aussi raides que 200 GeV / m ont été atteints sur des distances à l'échelle millimétrique à l'aide de pulseurs laser2 et des gradients approchant 1 GeV / m sont produits à l'échelle de plusieurs centimètres avec des systèmes à faisceau d'électrons, contrairement à une limite d'environ 0,1 GeV / m pour l'accélération radiofréquence seule. Les accélérateurs d'électrons existants tels que SLAC pourraient utiliser des post-brûleurs à faisceau d'électrons pour augmenter considérablement l'énergie de leurs faisceaux de particules, au prix de l'intensité du faisceau. Les systèmes électroniques en général peuvent fournir des faisceaux fiables et étroitement collimatés; les systèmes laser peuvent offrir plus de puissance et de compacité. Ainsi, des accélérateurs de champ de sillage à plasma pourraient être utilisés - si les problèmes techniques peuvent être résolus - à la fois pour augmenter l'énergie maximale des plus grands accélérateurs et pour amener des énergies élevées dans les laboratoires universitaires et les centres médicaux.

Production de trous noirs

Au cours des prochaines décennies, la possibilité d'une production de trous noirs aux accélérateurs d'énergie les plus élevés peut se présenter si certaines prédictions de la théorie des supercordes sont exactes.3 S'ils sont produits, on pense que les trous noirs s'évaporeraient très rapidement via le rayonnement Hawking. Cependant, l'existence du rayonnement Hawking est controversée.4 On pense également qu'une analogie entre les collisionneurs et les rayons cosmiques démontre la sécurité des collisionneurs. Si les collisionneurs peuvent produire des trous noirs, les rayons cosmiques (et en particulier les rayons cosmiques à ultra-haute énergie) auraient dû les produire pendant des éons, et ils n'ont pas encore nui à la terre.

Remarques

  1. ↑ Matthew Wright et Early Wright, Surfer sur la vague de plasma du futur. Symétrie: Dimensions de la physique des particules (Fermilab / SLAC). Récupéré le 9 octobre 2007.
  2. ↑ B.N. Briezman, et al, Pilotes de faisceau de particules auto-focalisés pour les accélérateurs de plasma Wakefield. Récupéré le 9 octobre 2007.
  3. ↑ ESI Special Topics, une entrevue avec le Dr Steve Giddings. Récupéré le 9 octobre 2007.
  4. ↑ Adam D. Helfer, les trous noirs rayonnent-ils? Rept. Programme. Phys. 66: 943. Récupéré le 9 octobre 2007.

Les références

  • Wiedemann, Helmut. 2007. Physique de l'accélérateur de particules. New York: Springer. ISBN 3540490434
  • Wille, Klaus et Jason McFall. 2001. La physique des accélérateurs de particules: une introduction. New York: Oxford University Press. ISBN 0198505493
  • Wilson, E.J.N. 2001. Une introduction aux accélérateurs de particules. New York: Oxford University Press. ISBN 0198508298

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 16 janvier 2019.

  • Recherche sur les accélérateurs de particules
  • Accélérateurs de particules dans le monde.
  • Panofsky, Wolfgang K.H. 1997. L'évolution des accélérateurs et des collisionneurs de particules. Stanford.
  • Bryant, P.J. 1994. A Brief History and Review of Accelerators. CERN.
  • Kestenbaum, David. 2007. Accélérateur de particules massives accéléré. RADIO NATIONALE PUBLIQUE.
  • RTFTechnologies.org Accélérateur électrostatique de particules.

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