Accélérateur de particules - Définition

Constructeurs

Les accélérateurs électrostatiques

La production commerciale des accélérateurs à courant continu a débuté à la fin des années 1930 avec les séries de machines Cockcroft-Walton construites par Philips à Eindhoven. En France à la fin de la seconde Guerre mondiale, Noël Felici à Grenoble commença à construire des générateurs électrostatiques à cylindre fonctionnant dans l'hydrogène. La SAMES construisit et commercialisa des générateurs Felici de 1 MV et 100 µA jusqu'à ce qu'ils soient détrônés par les générateurs à courants redressés. En Suisse, Haefely développa des générateurs multiplicateurs de tension, pressurisés en air pour alimenter des injecteurs de cyclotron. J. Van de Graaff et ses collègues créèrent en 1946 l’HVEC (High Voltage Engineering Corporation). Des accélérateurs électrostatiques d'électrons et d’ions, avec des énergies de 0,4 à 5,5 MeV entrèrent en production. La demande fut telle qu'une filiale européenne commença une production aux Pays-Bas sous le nom de HVEE (High Voltage Engineering Europa). La production d'accélérateurs électrostatiques Tandem commença en 1958. En URSS la production d'accélérateurs à courroie commença en 1955 à Léningrad (Institut de recherche en électrophysique Efremov). Des accélérateurs électrostatiques simples à 5 MV et un Tandem vertical de 6 MV furent conçus en URSS et exportés en Finlande, Chine et ailleurs. En 1958, Radiation Dynamics Inc. construisit des générateurs multiplicateurs de tension de type Dynamitron imaginés par Cleland, pour alimenter des accélérateurs d'électrons et d'ions. Ray Herb remplaça la courroie des Van de Graaff par un système de charge par chaîne alternant élément en nylon et éléments en acier : le système Pelletron. En 1964, il fonda NEC (National Electrostatics Corporation) qui construisit des accélérateurs verticaux et horizontaux pour la recherche et la physique nucléaire. On lui doit le Pelletron de 25 MV de Oak Ridge (record mondial dans cette classe d'accélérateurs électrostatiques). En 1978 Purser, chez General Ionex Corporation, commença à fabriquer de petits accélérateurs tandem pour la recherche en utilisant le système inventé par Cleland. Sous le nom de Tandetron et Singletron, ces machines fondées sur des générateurs à courant continu sont maintenant fabriquées par HVEE. En 1984, Letournel à Strasbourg créa VIVIRAD (à l'origine de la fabrication du VIVITRON).

Les autres accélérateurs

L'histoire des constructeurs des cyclotrons et des synchrotrons reste à écrire. Les grands équipements ont fait l'objet d'une coopération où l'on trouve les noms de General Electric, Siemens, la Compagnie générale 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'électro-aimants du LHC sont bobinés avec 7 000 km de câble supraconducteur. Ce câble est produit, depuis l'an 2000, dans quatre usines en Europe, une au Japon et une aux États-Unis. Au total, quatre entreprises sont impliquées dans cette production : Alstom, European Advanced Superconductors, Outokumpu et Furukawa.

Les collisionneurs

Les machines de pointe actuelles sont des collisionneurs.

Pour examiner la structure intime des constituants du noyau atomique les accélérateurs doivent accélérer les particules au-delà de 1 GeV. Les lois de la mécanique quantique permettent de décrire les particules à la fois par leur trajectoire physique et par leur fonction d'onde. Si la longueur d'onde de la particule sonde est courte, la matière peut être examinée à une échelle extrêmement petite. La mécanique quantique met en relation cette longueur d'onde avec l'énergie des particules entrant en collision : plus l'énergie est haute, plus courte est la longueur d'onde. Il y a une autre raison à l'utilisation des hautes énergies. La plupart des objets qui intéressent les physiciens des particules élémentaires aujourd'hui n'existent pas à l'état libre dans la nature ; ils doivent être créés artificiellement en laboratoire. La célèbre équation E=mc² gouverne l'énergie de collision E requise pour produire une particule de masse m. Plusieurs des particules les plus intéressantes sont si lourdes que des énergies de collision de centaines de GeV sont nécessaires pour les créer. En fait pour comprendre et consolider les théories actuelles il faut aller au-delà du TeV (en construisant des accélérateurs permettant la physique Terascale).

Il y a quatre catégories de collisionneurs :

• électrons contre positrons. Exemples : le SLAC ; le LEP.
• hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton contre antiprotons). Exemples : le SPS ; le Tevatron ; le LHC.
• électrons contre protons. Le seul et unique exemple fut l’HERA.
• ions contre ions. Exemples : le RHIC ; le LHC pourra également faire entrer en collision des ions lourds au sein de l’expérience ALICE.

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

Circulaires

Ces accélérateurs collisionneurs 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. L'invention des collisionneurs permet de surmonter la baisse de rendement (liée aux lois de la mécanique relativiste) des accélérateurs quand l'énergie croît. Le choc entre un proton accéléré, par exemple, avec un proton au repos génère, dans le système du centre de masse, une énergie beaucoup plus faible que l'énergie du projectile. La proportion d'énergie vraiment utilisable décroit avec l'énergie des projectiles. Si on fait entrer en collision deux particules de directions opposées, chacune ayant l'énergie E, l'énergie dans le centre de masse sera égale à 2 E. Un tel choc permet d'utiliser toute l'énergie produite, et non pas une fraction comme dans les expériences à cible fixe des accélérateurs classiques. 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 Large Hadron Collider (LHC, XXI^e siècle) qui utilisera largement la supraconductivité.

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 linéaire électrons - positons de Stanford :
L'ILC (International Linear Collider) est en voie d'étude (XXI^e siècle). Le lieu de construction ainsi que les technologies employées n'ont pas encore été déterminés (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 matière au-delà de nos connaissances actuelles (et des possibilités des accélérateurs actuels). La nature des collisions à l'ILC devrait permettre de compléter les questions soulevées par des découvertes du LHC (matière sombre, existence des supersymétries). Deux LINAC de 20 kilomètres de long se feront face. Les faisceaux d'électrons et de positrons atteindront chacun 99,9999999998 % de la vitesse de la lumière. Chaque faisceau contiendra 10 milliards d'électrons ou de positrons comprimés dans une section de trois nanomètres. Au rendez-vous des collisions, les cavités accélératrices à supraconductivité opèreront à une température proche du zéro absolu. Les faisceaux entreront en collision 2 000 fois par seconde.

Collision élastique et collision inélastique

Le système du laboratoire est celui où le dispositif expérimental est au repos.
Le système du centre de masse est celui où les deux particules initiales ont des impulsions égales et opposées.
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 probabilité d'une interaction lors de la collision entre deux particules s'appelle sa section efficace (dimension d'une surface L²). Son unité est le barn (b). 1 b = 10^-24 cm². Les processus rares ou très rares s'expriment en sous multiples du barn : µb (microbarn), nb (nanobarn), pb (picobarn), fb (femtobarn).
La qualité d'un collisionneur à produire des collisions s'appelle sa luminosité. Elle se mesure en cm^-2.s^-1. La haute luminosité d'un collisionneur est aussi importante que la haute énergie dans la recherche d'événements rares. Par exemple le Large Hadron Collider aura une luminosité de 10³⁴ cm^-2⋅s^-1 en régime nominal.