Liste des accélérateurs en physique des particules - Définition
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Introduction
Cet article concerne la liste des accélérateurs de particules utilisés pour les expériences de physique des particules. Les tout premiers accélérateurs ont été surtout utilisés en physique nucléaire.
Dans l'histoire de la physique des particules, les rayons cosmiques ont été les premiers fournisseurs de particules (astroparticules) à très haute énergie. La radioactivité ne produit pas de tels projectiles. Les rayons cosmiques ont l'inconvénient d'être rares et d'avoir des énergies imprévisibles (jusqu'à 108TeV soit 100 millions de fois l'énergie des particules du Tevatron). Pour explorer le noyau, comme pour produire des particules, les expérimentateurs souhaitaient disposer de faisceaux de particules connues, animées d'une énergie connue, et maîtriser ainsi les conditions d'expérience. C'est pourquoi la technique des accélérateurs a connu, après le seconde guerre mondiale, des perfectionnements successifs grâce auxquels ces instruments ont pratiquement supplanté les rayons cosmiques comme sources de projectiles à haute énergie.
Les accélérateurs de particules ont été construits en tenant compte des 3 idées simples suivantes:
- Ils n'accélèrent que les particules porteuses d'une charge électrique, sensibles aux champs électriques et magnétiques que la technologie sait produire et utiliser.
- Les particules accélérées doivent rester stables (ne pas se désintégrer) pendant l'accélération. L'électron et le proton, le positron et l'antiproton répondent à ces conditions. Les ions lourds sont chargés et stables mais mal adaptés à l'étude des particules.
- Les particules doivent circuler dans un vide suffisant pour ne pas heurter une molécule qui perturberait leur trajectoire.
Remarque : dans cette liste, un même accélérateur peut apparaître deux fois (ou plus) dans le même tableau, par exemple avant et après une modification ou une amélioration, et/ou dans deux tableaux (ou plus), selon qu’il a été transformé d’un type en un autre ou bien s’il peut fonctionner selon deux modes. Ainsi, le Tevatron apparaît à trois reprises : une fois dans le tableau "accélérateurs à cible fixe" et deux fois dans le tableau "collisionneurs de Hadrons". Autre exemple, le Large Hadron Collider peut produire des collisions entre protons comme des collisions entre ions, d’où sa présence dans les deux tableaux correspondants.
Les accélérateurs primitifs
Ils utilisèrent tous de simples faisceaux dirigés sur des cibles fixes. Ils furent utilisés pour des expérimentations brèves, peu coûteuses, sans qualificatif (elles n'ont pas porté de nom).
Cyclotrons
Avec les plus grands cyclotrons mis en service avant la guerre, l'énergie atteignait un plafond. Le cyclotron ne peut pas accélérer des particules aussi légères que les électrons, car ces particules se comportent rapidement de manière relativiste.
| Accélérateur | Localisation | Années de fonctionnement | Forme | Particule accélérée | Energie cinétique | Notes et découvertes |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cyclotron de 23 cm | UC Berkeley - U.S.A. | 1931 | Circulaire | H2+ | 1.0 MeV | Mise en évidence du concept |
| Cyclotron de 28 cm | UC Berkeley - U.S.A. | 1932 | Circulaire | Proton | 1.2 MeV | |
| Cyclotron de 68 cm | UC Berkeley - U.S.A. | 1932-1936 | Circulaire | Deutérium | 4.8 MeV | Interactions deutérium / noyaux |
| Cyclotron de 94 cm | UC Berkeley - U.S.A. | 1937-1938 | Circulaire | Deutérium | 8 MeV | Découverte de nombreux isotopes |
| Cyclotron de 152 cm | UC Berkeley - U.S.A. | 1939-1941 | Circulaire | Deutérium | 16 MeV | Découverte de nombreux isotopes |
| Cyclotron de 4,67 m | Berkeley Rad Lab[1] - U.S.A. | 1942- | Circulaire | Diverses | >100 MeV | Recherche sur la séparation de l'isotope de l'uranium |
| Calutrons | Oak ridge, Tennessee - U.S.A. | 1943- | "En fer à cheval" | Noyaux d'uranium | Utilisés pour séparer des isotopes du Projet Manhattan |
[1] Premier accélérateur construit sur le site actuel du Lawrence Berkeley National Laboratory , connu par la suite sous le nom de Berkeley Radiation Laboratory ("Rad Lab" pour faire court)
Accélérateurs électrostatiques
Une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique statique. Voir les accélérateurs électrostatiques
| Accélérateur | Localisation | Années de fonctionnement | Forme | Particule accélérée | Energie cinétique | Notes et découvertes |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Accélérateur électrostatique de Cockcroft et Walton | Cavendish Laboratory | 1932 | générateur Cockcroft-Walton | Proton | 0.7 MeV | Le premier à briser le noyau (Lithium) |
Synchrocyclotrons
Dans un synchrocyclotron, c'est la dimension de l'électroaimant qui détermine l'énergie finale. La fréquence de résonance du système HF doit pouvoir varier facilement grâce à un condensateur variable intercalé entre le conducteur du duant (dee) et la paroi. Une tension continue, superposée à la tension HF est appliquée à l'électrode d'accélération pour faciliter l'extraction de la source d'ions.
| Accélérateur | Localisation | Années de fonctionnement | Forme | Particule accélérée | Energie cinétique | Notes et découvertes |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Synchrocyclotron | Berkeley - U.S.A. | 1948- | circulaire | proton | 350 Mev | Etude des mésons π |
| Synchrocyclotron | CERN (Genève) | 1958-1990 | Circulaire d= 227 cm Variation de fréquence 30 à 16 Mhz | Proton | 680 MeV | Moment magnétique anormal du muon |
| Synchrocyclotron | Dubna, Russie | Décembre 1949- | Pôle E.aimant d = 6 m | Proton | 700 MeV | 7000 tonnes ( Tour Eiffel = 7150 t) |
| Synchrocyclotron | Leningrad, Russie | Pôle E.aimant d = 7 m | Proton | 1 GeV | 7000 tonnes |
Synchrotrons
Moins de métal, moins de puissance électrique : les synchrotrons ont permis un bond en avant de l'énergie . L'énergie du Bevatron de Berkeley , 6,2 GeV n'a pas été choisie arbitrairement : c'est l'énergie minimale nécessaire pour produire des antiprotons.
| Accélérateur | Localisation | Années de fonctionnement | Forme et taille | Particule accélérée | Energie cinétique | Notes et découvertes réalisées | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cosmotron | Brookhaven National Laboratory U.S.A. | 1953-1968 | Anneau circulaire (72 mètres environ) | Proton | 3.3 GeV | Particules en V, production artificielle de mesons. | |
| Birmingham Synchrotron | Université de Birmingham | 1953 | Proton | 1 GeV | |||
| Bevatron | Berkeley Rad Lab - LBNL - U.S.A. | 1954-~1970 | "Piste de course" | Proton | 6.2 GeV | Essai sur les particules étranges. Antiproton, antineutron sont découverts. | |
| Bevalac, combinaison d'un LINAC, un tube de divergence, puis le Bevatron | Berkeley Rad Lab - LBNL - U.S.A. | ~1970-1993 | LINAC suivi d'une "Piste de course" | N'importe quel noyau stable pouvait être accéléré | Observation de matière nucléaire condensée. Ionisation intra-tumorale en cancérologie. | ||
| Saturne I | Saclay, France | 1958-1997 | Proton, ions lourds | 3 GeV proton | |||
| Zero Gradient Synchrotron | Argonne National Laboratory - U.S.A. | 12.5 GeV | |||||
| Proton Synchrotron PS | CERN, Suisse | 1959- nos jours | Diamètre : 200 m focalisation forte | Proton | 25 GeV | Production d’antiprotons. Nombreuses expériences, dont : CLOUD, DIRAC, n_TOF. Également injecteur pour ISR et SPS. | |
| Synchrotron à gradient alternés AGS | Brookhaven National Laboratory-U.S.A. | 1960- | Diamètre : 200 m focalisation forte | Proton | 33 GeV | Découverte du neutrino muonique J/Ψ (1974), Violation CP / kaon |
