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[1]). 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 la Seconde Guerre mondiale, des perfectionnements successifs grâce auxquels ces instruments ont pratiquement supplanté les rayons cosmiques comme sources de projectiles à haute énergie[2].
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[3].
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.
Recherche sur la séparation de l'isotope de l'uranium
Calutrons
Oak ridge, Tennessee, États-Unis
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
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, États-Unis
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
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.
Découverte du neutrino muonique J/Ψ (1974), Violation CP / kaon
Les accélérateurs à cible fixe
Nombreux furent les accélérateurs modernes qui furent utilisés aussi sur le mode de la cible fixe ; souvent ils furent aussi utilisés comme préaccélérateurs dans des systèmes collisionneurs, voire eux-mêmes convertis en collisionneurs. Exemple : le SPS du CERN, qui, tout en étant toujours utilisé pour projeter des particules sur cibles fixes, fut converti en collisionneur protons/antiprotons, et sert actuellement d’injecteur pour le Large Hadron Collider (LHC)[5].
Un collisionneur est une machine qui accélère simultanément deux faisceaux de particules en sens inverse, afin de les faire entrer en collision frontale. Ce type d’installation est plus difficile à construire, mais est bien plus performant qu’un accélérateur "simple" projetant ses particules sur une cible fixe.
Les collisionneurs électrons-positrons (e+/e−)
Dans la grande majorité des cas, les énergies des électrons et des positrons sont identiques. Mais comme il existe également quelques cas où ces énergies sont différentes, le tableau comporte deux colonnes pour différencier les énergies des deux types de particules.
Le décélérateur d’antiprotons, au CERN : comme son nom l’indique, cet appareil sert à ralentir des antiprotons (produits par des protons projetés à grande vitesse sur une cible métallique), et a donc un principe de fonctionnement inverse de celui d’un accélérateur de particules ! Le but de cette machine est de recueillir des antiprotons (générés grâce à une autre installation), de les amener à basse énergie, et enfin d’en faire un faisceau contrôlé. Ce faisceau peut alors être exploité par certaines expériences qui ne pourraient pas utiliser un flux d’antiprotons "brut"[9].
Notes et références
↑H. Przysiezniak, Les casseurs d'atomes , 529e conférence de l'Université de tous les savoirs , 16-06-2004
↑Michel Crozon, La matière première - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions Éditions du Seuil,1987
↑Michel Crozon, L'univers des particules, Éditions du Seuil , 1999
↑Le SPS est toujours en service actuellement, mais en tant qu'injecteur pour le LHC et qu'accélérateur sur cible fixe et non en tant que collisionneur, cf plus haut.
