Accélérateur de particules - Définition
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Applications
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Les accélérateurs ont des applications aussi variées que :
- la physique nucléaire (production de neutrons), pour la recherche fondamentale sur les particules élémentaires des hautes énergies ;
- 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, positons, 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 (1 MeV=106 eV), le milliard d'électronvolts (1 GeV=109 eV). La physique des hautes énergies (ou subnucléaire ou des particules élémentaires) se définit justement à partir du GeV et au-delà.
| Domaine | Méthodes | Buts recherchés |
|---|---|---|
| Recherche en physique | Faisceaux énergétiques de particules | Exploration de la matière (voir tableau suivant) |
| Médecine | Production de radioisotopes | Imagerie, scintigraphies, traceurs |
| Médecine | Irradiations : rayons X, gamma, protons, électrons, ions lourds | Radiothérapie anti tumorale |
| Electronique | Faisceaux d'électrons | Gravure des circuits intégrés |
| Sécurité alimentaire | Irradiation des aliments | Stérilisation |
| Archéologie | Spectrométrie de masse par accélérateur | Datation |
| Recherche | Méthodes | Accélérateurs |
|---|---|---|
| Physique des particules | Collisions | Synchrotrons, collisionneurs à protons ou électrons |
| Physique nucléaire | Collisions noyau-noyau | Accélérateurs d'ions lourds : synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac |
| Physique atomique | Collisions atomiques | Accélérateurs d'ions lourds : synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac |
| Matière condensée et physique des surfaces (structure de la matière, propriétés magnétiques, chimiques et électroniques des matériaux) | Diffraction, imagerie, spectroscopies d'absorption, dichroïsme circulaire magnétique, spectroscopies de photoémission, | Rayonnement synchrotron (IR, UV, X mous, X durs) |
| Matière condensée (structure et propriétés magnétiques) | Diffusion de neutrons | Linac à proton |
| Biologie, chimie | Cristallographie des protéines, des virus, activation, cinétique chimique et biochimique | Rayonnement synchrotron, laser à électrons libres |
| Physique des matériaux | Analyse par activation, spectrométrie de masse | Van de Graaff Tandem |
Le diagramme de Livingston
Stanley Livingston, physicien spécialiste des accélérateurs de particules, a établi ce diagramme dans les années 1960. Il montre la croissance exponentielle de l'énergie des faisceaux accélérés.
Ce diagramme classique est modifié : l'axe horizontal a été étendu aux années 2010. L'axe vertical a été étendu à 100 000 TeV. Pour comparer les différents accélérateurs, l'énergie des collisionneurs, qui s'exprime dans le centre de masse, a été recalculée comme si l'énergie des particules observées était le résultat d'une collision avec un proton au repos. Le coût par eV d'énergie du faisceau est réduit d'un facteur 1 000 par période de 7 ans.
Dans le passé, on gagnait un facteur 10 tous les 7-8 ans dans l'énergie des collisions réalisées. Si l'évolution s'était maintenue, on aurait atteint 60 TeV dès 2005. Le LHC (Large Hadron Collider, 7 TeV + 7 TeV, CERN, 2008) ne suit donc pas l'extrapolation. On constate un net fléchissement des performances qui indique peut-être un premier signe de fatigue de la discipline.