Accélérateur de particules - Définition et Explications

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Constructeurs

Les accélérateurs électrostatiques

La production commerciale des accélérateurs à courant continu a débuté à la fin des années 1930 avec les séries de machines Cockcroft-Walton construites par Philips à Eindhoven. En France à la fin de la 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...) Guerre mondiale, Noël Felici à Grenoble commença à construire des générateurs électrostatiques à cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une...) fonctionnant dans l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). La SAMES construisit et commercialisa des générateurs Felici de 1 MV et 100 µA jusqu'à ce qu'ils soient détrônés par les générateurs à courants redressés. En Suisse, Haefely développa des générateurs multiplicateurs de tension (La tension est une force d'extension.), pressurisés en air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) pour alimenter des injecteurs de cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées...). J. Van de Graaff et ses collègues créèrent en 1946 l’HVEC (High Voltage Engineering Corporation). Des accélérateurs électrostatiques d'électrons et d’ions, avec des énergies de 0,4 à 5,5 MeV entrèrent en production. La demande fut telle qu'une filiale européenne commença une production aux Pays-Bas sous le nom de HVEE (High Voltage Engineering Europa). La production d'accélérateurs électrostatiques Tandem commença en 1958. En URSS la production d'accélérateurs à courroie commença en 1955 à Léningrad (Institut de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) en électrophysique Efremov). Des accélérateurs électrostatiques simples à 5 MV et un Tandem vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) de 6 MV furent conçus en URSS et exportés en Finlande, Chine et ailleurs. En 1958, Radiation Dynamics Inc. construisit des générateurs multiplicateurs de tension de type Dynamitron imaginés par Cleland, pour alimenter des accélérateurs d'électrons et d'ions. Ray Herb remplaça la courroie des Van de Graaff par un système de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) par chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) alternant élément en nylon et éléments en acier : le système Pelletron. En 1964, il fonda NEC (National Electrostatics Corporation) qui construisit des accélérateurs verticaux et horizontaux pour la recherche et la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :). On lui doit le Pelletron de 25 MV de Oak Ridge (record mondial dans cette classe d'accélérateurs électrostatiques). En 1978 Purser, chez General Ionex Corporation, commença à fabriquer de petits accélérateurs tandem pour la recherche en utilisant le système inventé par Cleland. Sous le nom de Tandetron et Singletron, ces machines fondées sur des générateurs à courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance primordiale) sont maintenant fabriquées par HVEE. En 1984, Letournel à Strasbourg créa VIVIRAD (à l'origine de la fabrication du VIVITRON).

Les autres accélérateurs

L'histoire des constructeurs des cyclotrons et des synchrotrons reste à écrire. Les grands équipements ont fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) d'une coopération où l'on trouve les noms de General Electric (General Electric est un conglomérat américain fondé en 1892 par la fusion d'une partie de Thomson-Houston Electric Company et de Edison General...), Siemens, la Compagnie générale de radiologie, Alsthom, Mitsubishi, Kraftanlagen, Argos.

Dans les applications médicales (radiothérapie) les petits accélérateurs linéaires sont construits par Varian Clinac (Varian - Linear accelerators), Siemens , Elekta, OSI (Oncology Services International),IBA (Ion Beam Application) à Louvain-la-Neuve, Belgique.

Les 20 km d'électro-aimants du LHC sont bobinés avec 7 000 km de câble supraconducteur. Ce câble est produit, depuis l'an 2000, dans quatre usines en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du...), une au Japon et une aux États-Unis. 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...), quatre entreprises sont impliquées dans cette production : Alstom, European Advanced Superconductors, Outokumpu et Furukawa.

Les collisionneurs

Les machines de pointe actuelles sont des collisionneurs.

Pour examiner la structure intime des constituants du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et...) les accélérateurs doivent accélérer les particules au-delà de 1 GeV. Les lois de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les...) permettent de décrire les particules à la fois par 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.) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) et par leur fonction d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...). Si la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde de la particule sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques...) est courte, 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...) peut être examinée à une échelle extrêmement petite. La mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout...) quantique met en relation cette longueur d'onde avec l'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.) des particules entrant en collision : plus l'énergie est haute, plus courte est la longueur d'onde. Il y a une autre raison à l'utilisation des hautes énergies. La plupart des objets qui intéressent les physiciens des particules élémentaires aujourd'hui n'existent pas à l'état libre dans la nature ; ils doivent être créés artificiellement en laboratoire. La célèbre équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation...) E=mc2 gouverne (Une gouverne est une surface mobile agissant dans l'air ou dans l'eau servant à piloter un mobile selon un de ses trois axes :) l'énergie 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.) E requise pour produire une particule de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) m. Plusieurs des particules les plus intéressantes sont si lourdes que des énergies de collision de centaines de GeV sont nécessaires pour les créer. En fait pour comprendre et consolider les théories actuelles il faut aller au-delà du TeV (en construisant des accélérateurs permettant la physique Terascale).

Il y a quatre catégories de collisionneurs :

  • électrons contre positrons. Exemples : le SLAC ; le LEP.
  • hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) contre antiprotons). Exemples : le SPS ; le Tevatron ; le LHC.
  • électrons contre protons. Le seul et unique exemple fut l’HERA.
  • ions contre ions. Exemples : le RHIC ; le LHC pourra également faire entrer en collision des ions lourds au sein de l’expérience ALICE.

Par ailleurs, sont également envisagées des collisions électrons contre ions.

Circulaires

Ces accélérateurs collisionneurs sont semblables aux synchrotrons dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) où les particules circulent également le long d'une trajectoire circulaire de rayon invariant. La différence est que les collisionneurs produisent des collisions directement entre deux faisceaux de particules accélérés en sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si...) et non plus sur une cible fixe. L'invention des collisionneurs permet de surmonter la baisse de rendement (liée aux lois de la mécanique relativiste) des accélérateurs quand l'énergie croît. 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.) entre un proton accéléré, par exemple, avec un proton au repos génère, dans le système du centre de masse, une énergie beaucoup plus faible que l'énergie du projectile. La proportion d'énergie vraiment utilisable décroit avec l'énergie des projectiles. Si on fait entrer en collision deux particules de directions opposées, chacune ayant l'énergie E, l'énergie dans le centre de masse sera égale à 2 E. Un tel choc permet d'utiliser toute l'énergie produite, et non pas une fraction comme dans les expériences à cible fixe des accélérateurs classiques. Au CERN, à Genève, le Super Proton Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) (SPS) atteint des énergies de 450 GeV. Il a servi d'injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de combustion.) au Large Electron Positron (Le Large Electron Positron (LEP) est un accélérateur de particules de 27 km de circonférence, enfoui entre la France et la Suisse à 100 mètres sous terre, dans lequel...) (LEP) et servira Large Hadron Collider (Le LHC (Large Hadron Collider, « Grand Collisionneur Hadronique ») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en 2007 au CERN à la frontière franco-suisse. Une...) (LHC, XXIe siècle) qui utilisera largement la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance...).

Le système des préaccélérateurs, le collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) et les expériences au LHC en 2008.
Les préaccélérateurs sont le PS (Proton Synchrotron) et le SPS (Super Protron Synchrotron). Le Proton Synchrotron Booster (Le nom de booster (ou propulseur d'appoint) est donné au moteur-fusée qui est attaché aux navettes spatiales américaines.[1] Par généralisation, le terme peut s'employer pour tous les moteurs auxiliaires à carburant solide utilisés...) n'est pas représenté. Les accélérateurs linéaires permettent de choisir entre les protons et les ions lourds de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent...). Les 4 expériences principales sont représentées en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) sur le collisionneur.

Linéaires

Les collisionneurs linéaires électrons-électrons.
Le collisionneur linéaire électrons - positons de Stanford :
L'ILC (International Linear Collider) est en voie d'étude (XXIe siècle). Le lieu de construction ainsi que les technologies employées n'ont pas encore été déterminés (le Technical Design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production...) Report n'est attendu que pour 2010) . Avec le Large Hadron Collider du CERN, il permettra, entre 2015 et 2025, d'explorer la matière au-delà de nos connaissances actuelles (et des possibilités des accélérateurs actuels). La nature des collisions à l'ILC devrait permettre de compléter les questions soulevées par des découvertes du LHC (matière sombre, existence des supersymétries). Deux LINAC de 20 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) de long se feront face. Les faisceaux d'électrons et de positrons atteindront chacun 99,9999999998 % de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un...). Chaque faisceau contiendra 10 milliards d'électrons ou de positrons comprimés dans une section de trois nanomètres. Au rendez-vous des collisions, les cavités accélératrices à supraconductivité opèreront à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée...) proche du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en...) absolu. Les faisceaux entreront en collision 2 000 fois par seconde.

Collision élastique et collision inélastique

Le système du laboratoire est celui où le dispositif expérimental est au repos.
Le système du centre de masse est celui où les deux particules initiales ont des impulsions égales et opposées.
Après une collision élastique , les deux particules incidentes sont conservées, seules leurs impulsions sont modifiées. Dans le centre de masse seules les directions des particules ont changé.
Après une collision inélastique, d'autres particules sont créées, à la place ou en plus des particules incidentes. Une partie de l'énergie a été transformée en masse. La somme vectorielle des impulsions est conservée.

Section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de...) et luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.)

La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) d'une 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.) lors de la collision entre deux particules s'appelle sa section efficace (dimension d'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) L2). Son unité est le barn (b). 1 b = 10-24 cm2. Les processus rares ou très rares s'expriment en sous multiples du barn : µb (microbarn), nb (nanobarn), pb (picobarn), fb (femtobarn).
La qualité d'un collisionneur à produire des collisions s'appelle sa luminosité. Elle se mesure en cm-2.s-1. La haute luminosité d'un collisionneur est aussi importante que la haute énergie dans la recherche d'événements rares. Par exemple le Large Hadron Collider aura une luminosité de 1034 cm-2⋅s-1 en régime nominal.

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