Accélérateur de particules - Définition

Le Tevatron au Fermilab à Chicago

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.

On en distingue deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires.

Applications

Les accélérateurs ont des applications aussi variées que

• la physique, pour la recherche fondamentale sur les particules élémentaires
• le domaine médical, pour le traitement des cancers par radiothérapie
• le domaine militaire, en particulier pour la simulation des armes nucléaires.

En physique fondamentale, 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 électron-volts (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.

Les accélérateurs linéaires

Ils sont constitués de plusieurs sous-ensembles successifs, remplissant diverses fonctions :

• l'émission des particules chargées (par exemple grâce à une cathode)
• l'injection dans le tube cylindrique vide d'air où les particules seront accélérées
• l'accélération proprement dite (éventuellement par plusieurs sections successives), utilisant des procédés techniques divers
• enfin la préparation du faisceau de particules à son utilisation :
  • cible métallique destinée à produire des rayons X de haute énergie (notamment pour les applications médicales)
  • système de collimation (également pour les applications médicales)
  • raccordement à un accélérateur circulaire (recherche en physique des particules).

On trouve plusieurs techniques d'accélération, par exemple :

• les 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 ;
• les accélérateurs de type Wideroë ou 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, ils sont apparus dès 1930 avec l'accélérateur linéaire de Wideroë aux États-Unis. En France, au début des années 1960, 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 cyclotrons isochrones ;
• 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.
• les collisionneurs : Ces accélérateurs sont semblables aux synchrotrons dans le sens où les particules circulent également le long d'une trajectoire circulaire de rayon invariant. 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.

Au CERN, à Genève, le Super Proton Synchrotron (SPS) atteint des énergies de 450 GeV. Il a servi d'injecteur au Large Electron Positron (LEP) et servira au futur Large Hadron Collider (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 accélérateurs 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

• ESRF à Grenoble (France)
• GANIL à Caen (France)
• Large Electron Positron ou LEP au CERN à Genève (Suisse)
• Large Hadron Collider ou LHC au CERN à Genève (Suisse)
• Hadron Electron Ring Accelerator ou HERA à Hambourg (Allemagne)
• PETRA à Hambourg (Allemagne)
• Synchrotron Soleil à Saint-Aubin (Essonne) (France)
• UNILAC au GSI à Darmstadt (Allemagne)
• Tevatron au Fermilab à Chicago (USA)
• RIA à la Michigan State University (USA)
• RHIC à Upton, New York (USA)
• KEK à Tsukuba (Japon)

Alternatives

Dans ces structures conventionnelles, le champ accélérateur est limité à quelque 50 MV/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 par 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.