Accélérateur de particules - Définition et Explications

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Les anneaux de stockage

Ils servent à mettre en attente et à renforcer les faisceaux de particules qui seront injectées dans l'accélérateur collisionneur. Les anneaux de stockage peuvent faire office de collisionneurs lorsque les faisceaux stockés sur des orbites séparées sont mis en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) ( par court-circuit de la haute tension (La tension est une force d'extension.) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs...) ).

Anneau de stockage de particules ACO d'Orsay
  • Le choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) de front (dans le centre de masse) de deux faisceaux de particules libère toute l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie...) acquise lors de l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...). Le gain d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) utile est considérable. Cela ne va pas sans difficultés, car la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour...) des particules dans le faisceau d'un accélérateur est beaucoup plus faible que la densité des noyaux dans une cible fixe. Pour obtenir un taux d'interaction décelable, il faut donc disposer de courants accélérés très intenses, ce qui a conduit au développement des techniques de stockage et d'accumulation des faisceaux. Il s'agit d'un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) dont on garde le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) constant. Deux faisceaux d'électrons et de positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le...) peuvent y circuler simultanément. L'anneau de stockage peut fonctionner en anneau de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.).
  • L'Anneau de Collision d'Orsay (ACO) a fonctionné du début des années 1960 jusqu'en 1988. Pour provoquer des collisions entre des bouffées d'électrons et des bouffées de positrons, les particules étaient injectées à la cadence d'une dizaine de bouffées par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...). Il faut des milliers de bouffées pour former un faisceau stocké. Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...), l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) des deux types de particules durait environ une demi-heure.
  • Les anneaux de stockage à intersection (Intersecting Storage Rings ; ISR) permettent de stocker dans deux anneaux séparés un seul type de particule. Les faisceaux de protons se croisent en 6 ou 8 points. Les ISR (CERN, 1971-1984) étaient un exploit technique mais les résultats de leur physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) n'ont pas été à la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Ils ont permis d'observer la production de particules à grande impulsion transverse.

Les machines à rayonnement synchrotron

Lorsqu'un synchrotron fait tourner des faisceaux d'électrons, l'énergie possible est limitée par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) inhérent au mouvement circulaire des électrons, qui croît très vite et dissipe l'énergie reçue par les particules. Cette radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité...) électromagnétique est connue sous le nom de « Bremsstrahlung » dans le cas d'un tube à rayons X (Les tubes à rayons X sont des dispositifs permettant de produire des rayons X, en général pour trois types d'applications :). Dans les accélérateurs d'électrons, des cavités résonantes accélératrices fournissent l'énergie perdue par le rayonnement synchrotron (ou synchrotronique).

De rayonnement photonique parasitaire (J. Blewett, 1947), la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) synchrotron est devenue désirable. Des dispositifs scientifiques (onduleurs, anneaux de stockage d'électrons) ont été construits pour paramétrer et utiliser ce rayonnement, dont l'intensité, le spectre (lumière visible, ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des...) du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), rayons X, rayons gamma) permettent une exploitation en physique, en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...), en microlithographie des circuits intégrés, dans l'étude de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) vivante.

Les synchrotrons produisent des ondes magnétiques de toutes longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...), utilisées par un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) important de méthodes d'analyse de la lumière. Ces machines sont constituées d'une part d'un injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de combustion.) et d'un anneau de stockage d'une circonférence de cent à plusieurs centaines de mètres, dans lequel les électrons tournent 350 000 fois par seconde à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière, et, d'autre part, de lignes de lumière et de postes expérimentaux périphériques qui utilisent la lumière émise par les électrons lors de passage dans des aimants de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) ou des chicanes magnétiques (wigglers et onduleurs) placées sur leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.), lumière dénommée rayonnement synchrotron. Le rayonnement des synchrotrons de troisième génération est mille milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de fois plus brillant que les rayons émis par des équipements de laboratoire comme les tubes à rayons X.

Les trois plus grands synchrotrons générateurs de lumière synchrotron sont le SPring-8 (8 GeV) à Hyogo, Japon, l'APS (Advanced Photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) Source, 7 GeV), à Argonne, USA, et l'ESRF European synchrotron radiation facility, 6 GeV, à Grenoble, France.

Le Synchrotron SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) (Source optimisée de Lumière d'énergie intermédiaire du Lure) est le second site d'un synchrotron de troisième génération en France, sur le plateau de Saclay, Essonne. Le Synchrotron SOLEIL est composée de deux accélérateurs (un accélérateur linéaire et un accélérateur circulaire booster) et d'un anneau de stockage, polygone (En géométrie euclidienne, un polygone (du grec polus, nombreux, et gônia, angle) est une figure géométrique plane, formée d'une suite cyclique de segments consécutifs et délimitant une portion du plan.) de 354 m de périmètre (Le périmètre d'une figure plane est la longueur du bord de cette figure. Le calcul du périmètre sert par exemple à déterminer la quantité de grillage nécessaire à la clôture d'un...).

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