Accélérateur de particules - Définition

Caractéristiques communes

Tous les accélérateurs de particules sont constitués de plusieurs sous-ensembles successifs, remplissant diverses fonctions, de la source à la cible et dans un vide poussé :

• Production et émission des particules chargées (par exemple grâce à une cathode) : ions (proton) ou électrons en général, antiparticules comme l'antiproton et le positron.
• 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 : champs électriques continus ou alternatifs à haute fréquence.
• le guidage du faisceau le long de l'accélérateur à l'aide de déflecteurs électrostatiques ou magnétiques.
• la focalisation du faisceau pour empêcher sa divergence (lentilles électrostatiques ou magnétiques).
• enfin la préparation du faisceau de particules à son utilisation :
  • déflecteurs qui déplacent le faisceau dans la direction voulue.
  • système de collimation (également pour les applications médicales).
  • détecteurs des particules.
  • cible (épaisse ou mince), métallique destinée à produire des rayons X de haute énergie (notamment pour les applications médicales). La cible peut être un autre faisceau.
  • raccordement à un autre accélérateur (recherche en physique des particules).

Discipline

L'étude et la conception des accélérateurs de particules est une discipline extêmement riche car au confluent de nombreuses physiques et technologies de pointes :

• Source de particules Physique atomique, ionique, des plasmas, interaction particules-matière.
• Chambre de l'accélérateur Techniques du vide et de l'utra-vide.
• Structures accélératrices et de transport Techniques du vide, Mécanique, thermique, électromagnétisme, supraconductivité, électronique HF.
• Contrôle-commande informatique, automatisme, électronique BF.
• Diagnostic Interaction particules-matière, traitement du signal.
• Hautes tensions Electrotechnique.
• Radioprotection Physique nucléaire.
• Dynamique des faisceaux relativité, cinématique, dynamique hamiltonienne, transport, statistiques, simulation numérique.

En plus de la physique qui lui est propre, l'étonnante variété des applications des accélérateurs permet à ses physiciens de cotoyer de nombreuses communautés de chercheurs (cf. paragraphe précédent)

La discipline, de part les projets gigantesques qu'elle engendre, possède une dimension internationale. Elle est représentée et animée en France par une division à la Société Française de Physique et en Europe par un groupe à l’European Physical Society. Ces entités, en collaboration avec les autres sociétés savantes étrangères (USA, Russie, Japon, Chine,...), organisent de nombreuses conférences et workshops (conférences).

En France, la physique et technologie des accélérateurs est enseignée, à partir du niveau master 2, par quelques universités ou organismes européens. Citons, par exemple, un master de l'université Paris-sud 11, la Joint Universities Accelerator School, ou les différentes sessions de l'école des accélérateurs du CERN.

Les accélérateurs circulaires

Ce sont les accélérateurs circulaires qui détiennent le record d'énergie. Il est facile de comprendre pourquoi. L'énergie reçue par mètre de trajectoire, c'est-à-dire l'intensité du champ électrique accélérateur, est limitée par des facteurs physiques et techniques. En « enroulant » la trajectoire, on obtient l'équivalent d'un accélérateur rectiligne ayant, non pas des kilomètres, mais des milliers de kilomètres de longueur.

Parmi les « circulaires » on distingue d'abord ceux qui emploient un champ magnétique fixe, (et un aimant massif) et où, par suite, les trajectoires sont des spirales : ce sont le cyclotron (E. Lawrence, 1929) et le synchrocyclotron (conçu à Berkeley en 1946). Au contraire, dans les synchrotrons (E. Mc Millan et V. Veksler), le champ magnétique varie pendant l'accélération, de telle sorte que celle-ci a lieu sur un cercle invariable et que l'électroaimant (annulaire) est, à énergie égale, considérablement réduit. Les synchrotrons sont donc, pour des raisons économiques, les accélérateurs permettant d'avoir des orbites de très grand rayon.

On distingue ainsi deux types d'accélérateurs circulaires :

• les cyclotrons :

Les trajectoires des particules sont des spirales, sont constitués d'un seul aimant de courbure dont le diamètre peut atteindre plusieurs mètres. Historiquement, le cyclotron a permis la découverte de plusieurs particules fondamentales. Ils peuvent accélérer des particules chargées, des ions lourds mais pas les électrons. En France, le GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) situé à Caen est constitué de deux cyclotrons isochrones.

L'électroaimant du synchrocyclotron au centre de protonthérapie d'Orsay

• les synchrotrons :

Contrairement au cyclotron, le champ magnétique n'est pas appliqué sur toute la surface circulaire, mais uniquement sur la circonférence. Dans ce type d'accélérateur, les particules circulent sur la même trajectoire presque circulaire à l'intérieur d'une série d'aimants de courbure. L'accélération est réalisée par un champ électrique résonnant. Le courant alternatif est appliqué seulement sur l'intervalle et non sur tout le parcours des particules. Plus l'énergie augmente, plus la fréquence du signal alternatif appliqué sur l'intervalle doit augmenter, pour maintenir l'accélération constante. Afin de maintenir les particules sur la même trajectoire, le champ magnétique augmente au fur et à mesure que l'énergie des particules augmente. Ces machines ont permis de découvrir de nombreuses particules élémentaires. Un des premiers synchrotrons, le Bévatron (Berkeley, 1954) servit à démontrer l'existence de l'antiproton. Les synchrotrons ont permis d'obtenir des preuves expérimentales d'éléments fondamentaux comme les quarks. Ils sont utilisés dans les collisionneurs actuels. Il y a ceux qui accélèrent les électrons (comme le LEP) et ceux qui accélèrent les protons (comme le SPS). Aujourd'hui un synchrotron (même de troisième génération) est un très grand instrument banalisé, partagé, accessible, formateur et pluridisciplinaire. La lumière synchrotron (rayonnement synchrotron) fait l'objet de demande de temps d'accès en forte croissance dans tous les pays du monde, en particulier en France.