Un accélérateur de particules est un instrument qui utilise des champs électriques et éventuellement magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres termes, il communique de l'énergie aux particules. On en distingue deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires.
En 2004, il y avait plus de dans le mondeHellborg R. Ragnar, , New York : Springer, 2005. Une centaine seulement sont de très grosses installations, nationales ou supranationales. Les machines électrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc mondial des accélérateurs industriels d'électronsM. Letournel, Vivirad, Strasbourg. De très nombreux petits accélérateurs linéaires sont utilisés en médecine (radiothérapie anti-tumorale).
Histoire
En 1919, le physicien Ernest Rutherford (1871-1938) transforma des atomes d'azote en isotopes d'atome d'oxygène en les bombardant avec des particules alpha engendrées par un isotope radioactif naturelE. Rutherford - London, Edinburgh and Dublin Philos. Mag. J. Sci, 6th series, 1919, 37,581. Mais l'étude de l'atome et surtout de son noyau nécessite de très hautes énergies. Les particules provenant des radio-éléments naturels sont trop peu nombreuses et peu énergétiques pour pénétrer la barrière de potentiel du noyau des éléments les plus lourds. Le potentiel à la surface nucléaire croît d'un million de volts pour l'hydrogène ordinaire à pour l'uranium. Les astroparticules (rayons cosmiques) ont permis des découvertes majeures mais leur énergie est très variable et il faut aller les chercher en altitude où elles sont moins rares et plus énergétiques. Dans les années 1920, il apparaît évident qu'une étude plus approfondie de la structure de la matière allait nécessiter des faisceaux plus énergétiques et plus contrôlés de particules. La source des particules chargées était variée. Les décharges dans les gaz produisent des ions, alors que pour les électrons, il était possible d'utiliser l'émission par un fil chauffé ou d'autres systèmes. L'énergie (E) d'une particule dans un champ électrique correspond au produit de sa charge (q) multiplié par la tension (U) du champ : E = q.U. Ainsi, une première solution possible était essentiellement d'accélérer les particules dans un tube à vide soumis à une très haute tension. La course au million de volts avait commencé. Plusieurs systèmes furent proposés.
En Angleterre, John Cockcroft et Ernest Walton, qui, en 1932, accomplirent la première désintégration réussie du noyau par des particules électriquement accélérées, utilisèrent un multiplicateur de tensionJ.D. Cockcroft, E.T.S. Walton - Proc. Roy. Soc. 1932, A 136, 619 et 137, 229 à l'aide d'un montage compliqué de redresseurs et de condensateurs (montage Greinacher, 1919). L'une des meilleures idées fut développée par Robert Van de Graaff, qui choisit de développer une machine à partir de l'antique électrostatique. Finalement, les autres (tels que Ernest Orlando Lawrence avec son cyclotron) choisirent une voie complètement différente : renonçant à obtenir d'un coup les 10 ou nécessaires pour pénétrer tous les noyaux, Ernest Lawrence pensa atteindre ces énergies par des impulsions électriques alternatives successives. Des impulsions périodiques supposent le maintien d'un certain synchronisme avec la particule accélérée qui décrit naturellement une ligne droite à une très grande vitesse. En employant un puissant électroaimant dans l'entrefer duquel les particules sont confinées par le champ magnétique lui-même, Ernest Lawrence a résolu simultanément les deux problèmes.
Les principaux composants nécessaires pour accélérer les particules sont les champs électriques et magnétiques et un vide de bonne qualitéMichel Crozon, La Matière première - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions, 340, Seuil, 1987 ; les champs électriques et magnétiques sont utilisés pour accélérer et diriger les particules et le vide poussé permet que les particules accélérées ne soient pas ralenties à la suite de collisions avec d'autres particules présentes dans le tube cylindrique au sein duquel circule le faisceau.
La classification des accélérateurs de particules peut suivre l'historique des techniques employées : par exemple, l'accélérateur électrostatique, les machines « tandem », les accélérateurs linéaires à hyperfréquences, les cyclotrons (dont le cyclotron isochrone et le bétatron), les synchrotrons (dont le synchrocyclotron, les synchrotrons à protons, à électrons), les anneaux de collision (anneaux électron-positron, anneaux de collision à protons). Chaque machine peut être associée aux découvertes historiques qu'elle a permises.
Les accélérateurs peuvent être classés selon l'énergie : basses énergies : de 10 à ; moyenne énergies : de 100 à ; hautes énergies : plus de et au-delà du TeV (Tera électronvolt=).
D'autres classifications sont possibles selon les applications de l'accélérateur : industrie, médecine, recherche fondamentale, exploration et compréhension des composants élémentaires de la matière, de l'énergie, de l'espace et du temps.
Ces très grandes machines des s peuvent être classées selon la géométrie des trajectoires de l'accélération : linéaire ou circulaire. Le caractère fondamental de nombreux accélérateurs modernes est la présence d'un champ magnétique enroulant les trajectoires sous forme de cercles ou de spirales. On peut les appeler « circulaires ». D'autres accélèrent en ligne droite, on les appelle « rectilignes ou linéaires ».
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 . 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 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, aurait été atteint dès 2005. Le (LHC) ( + , CERN, 2008) ne suit donc pas l'extrapolation. Il y a donc un net fléchissement des performances qui indique peut-être un premier signe de fatigue de la disciplineF. Vanucci, ATLAS, le nouveau défi des particules élémentaires, Ellipses, 2007, 37.
Applications
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. le domaine énergétique, un réacteur nucléaire alimenté par un accélérateur de particules linéaire permettrait de produire 100 fois moins de déchets nucléaires ayant une durée de radiotoxicité de 300 ans, au lieu de 300 000 ans pour les réacteurs nucléaires conventionnels. La première installation de ce type est le réacteur MYRRHA, qui devrait être opérationnel en 2038.
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 (=), le milliard d'électronvolts (=). La physique des hautes énergies (ou subnucléaire ou des particules élémentaires) se définit justement à partir du GeV et au-delà.
+ Applications générales des accélérateurs de particules 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 Électronique Faisceaux d'électrons Gravure des circuits intégrés Sécurité alimentaire Irradiation des aliments Stérilisation Archéologie Spectrométrie de masse par accélérateur Datation
+ Application des accélérateurs pour la recherche 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 protons 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
Discipline
L'étude et la conception des accélérateurs de particules est une discipline extrêmement riche car au confluent de nombreuses physiques et techniques de pointe : Source de particules : physique atomique, ionique, des plasmas, interaction particules-matière. Chambre de l'accélérateur : techniques du vide et de l'ultra-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 : électrotechnique. 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 côtoyer de nombreuses communautés de chercheurs (cf. paragraphe précédent)
La discipline, de par 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 (États-Unis, Russie, Japon, Chine, ...), organisent de nombreuses conférences et workshops.
En France, la physique et technologie des accélérateurs est enseignée, à partir du niveau master 2, par quelques universités ou organismes européens
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).