Cet article concerne la liste des accélérateurs de particules utilisés pour les expériences de physique des particules. Les tout premiers accélérateurs ont été surtout utilisés en physique nucléaire.
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 TevatronH. Przysiezniak, Les casseurs d'atomes , de l'Université de tous les savoirs , 16-06-2004). 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 énergieMichel Crozon, La matière première - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions Éditions du Seuil,1987.
Les accélérateurs de particules ont été construits en tenant compte des trois 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 trajectoireMichel Crozon, L'univers des particules, Éditions du Seuil , 1999..
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.
Accélérateur Localisation Années defonctionnement Forme Particule accélérée Energie cinétique Notes et découvertes Cyclotron de 23 cm UC Berkeley,États-Unis 1931 Circulaire H2+ 1,0 MeV Mise en évidence du concept Cyclotron de 28 cm UC Berkeley,États-Unis 1932 Circulaire Proton 1,2 MeV Cyclotron de 68 cm UC Berkeley,États-Unis 1932-1936 Circulaire Deutérium 4,8 MeV Interactions deutérium / noyaux Cyclotron de 94 cm UC Berkeley,États-Unis1937-1938 Circulaire Deutérium 8 MeV Découverte de nombreux isotopes Cyclotron de 152 cm UC Berkeley,États-Unis 1939-1941 Circulaire Deutérium 16 MeV Découverte de nombreux isotopes Cyclotron de 4,67 m Berkeley Rad Lab,États-Unis 1942- Circulaire Diverses >100 MeV Recherche sur la séparation de l'isotope de l'uranium Calutrons Oak Ridge, Tennessee,États-Unis 1943- « En fer à cheval » Noyauxd'uranium Utilisés pour séparer des isotopes du Projet Manhattan
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
Accélérateur Localisation Années defonctionnement Forme Particule accélérée Energie cinétique Notes et découvertes Accélérateur électrostatique de Cockcroft et Walton Cavendish Laboratory, Royaume-Uni 1932 générateur Cockcroft-Walton Proton 0.7 MeV Le premier à briser le noyau (Lithium)
Synchrocyclotrons
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 defonctionnement 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 cmVariation de fréquence 30 à 16 MHz Proton 680 MeV Moment magnétique anomal du muon Synchrocyclotron Dubna, Russie - Pôle E.aimant d = 6 m Proton 700 MeV 7 000 tonnes( Tour Eiffel = 7150 t) Synchrocyclotron Saint-Pétersbourg, Russie Pôle E.aimant d = 7 m Proton 1 GeV 7 000 tonnes
Synchrotrons
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.
Accélérateur Localisation Années defonctionnement Forme et taille Particuleaccélérée Energiecinétique Notes et découvertes réalisées Cosmotron BrookhavenNational Laboratory,États-Unis 1953-1968 Anneau circulaire(72 mètres environ) Proton 3,3 GeV Particules en V, production artificielle de mésons. BirminghamSynchrotron Université de Birmingham 1953 Proton 1 GeV Bevatron Berkeley Rad Lab (LBNL),États-Unis 1954- ~1970 "Piste de course" Proton 6,2 GeV Essai sur les particules étranges. Antiproton, antineutron sont découverts. Bevalac, combinaison d'un LINAC, le SuperHILAC, d'un tube de divergence et du Bevatron Berkeley Rad Lab (LBNL),États-Unis ~1970-1993 LINAC suivi d'une "Piste de course" Tout noyau stable Observation de matière nucléaire condensée. Ionisation intra-tumorale en cancérologie. Saturne I Saclay, France 1958-1997 Proton, ions lourds 3 GeV proton Argonne National Laboratory,États-Unis 12,5 GeV Proton Synchrotron PS CERN, Suisse 1959- Diamètre : 200 m focalisation forte Proton 25 GeV public.web.cern.ch ; PS – le synchrotron à protons, un jongleur de particules Production d’antiprotons.Nombreuses expériences, dont :CLOUD, DIRAC, n_TOF.Également injecteur pour ISR et SPS. Synchrotron à gradient alterné AGS BrookhavenNational Laboratory,États-Unis 1960- Diamètre : 200 m focalisation forte Proton 33 GeV Découverte du neutrino muoniqueJ/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) public.web.cern.ch ; SPS – le supersynchrotron à protons, le premier Seigneur des anneaux.
Accélérateur Localisation Années de fonctionnement Forme et taille Particule accélérée Énergie cinétique Expériences Notes Linac SLAC Stanford Linear Accelerator Center, États-Unis 1966- Accélérateur linéaire de 3 km Électron/Positron 50 GeV Améliorations successives, utilisé pour alimenter le PEP, SPEAR, Stanford Linear Collider, PEP-II Anneau principal du Fermilab Fermilab, États-Unis 1972-1997 Super Proton Synchrotron SPS CERN, Suisse 1976 - Protons,ions divers. 450 GeV pour les protons.33 TeV pour des ions de plomb. Très nombreuses, parmi lesquelles : CNGS, COMPASS, SHINE, création de Plasma quark-gluon. Également transformé en collisionneur (Super Proton Antiproton Synchrotron) en 1981, et utilisé comme injecteur du LHC. Bates Linear Accelerator MIT, Middleton, MA, États-Unis 1974-2005 Linac de 500 MeV et anneau de stockage Electrons polarisés CEBAF Jefferson Laboratory, Newport News, VA, États-Unis 1994- Linac de 5,75 GeV recircularisé (mis à niveau 12 GeV) Électrons polarisés MAMI Mayence, Allemagne 1979- 855 MeV accélérateur Électrons polarisés Tevatron FermilabBatavia, Illinois, États-Unis 1983-1987 Anneaux de 6,3 km Améliorations régulières puis transformation en collisionneur GANIL Caen, France 1983- Deux cyclotrons en série. Ions du carbone à l'uraniumJusqu'à 95 MeV/A Voir découvertes du GANIL Vivitron Strasbourg, France 1993-2003 Électrostatique Van de Graaff tandem Le Vivitron, introduction Ions divers ? Performances inférieures aux objectifs, mais néanmoins fonctionnel. Laboratoire national d'Oak Ridge, États-Unis 2006- Linéaire (335 m) et circulaire (248 m) Protons 800 MeV - 1 GeV
Les collisionneurs
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.