Les accélérateurs, outils indispensables pour sonder l’infiniment petit… Sébastien BOUSSON (CNRS/IN2P3/IPN Orsay)

Les accélérateurs de particules: késako ? E = mc2  Instrument qui permet de créer puis d’accélérer des particules d’augmenter l’énergie  On le définit par ses caractéristiques:  Type de particules accélérées: Ions, Hadrons (protons), Leptons (électrons, muons) ? Point communs entre ces particules ? Particules CHARGEES !  Energie: large gamme, de quelques keV à quelques TeV  Courant: large gamme aussi, de quelques pA à quelques kA  Mode opératoire: Durée du pulse: de la fs jusqu’au continu Répétition: de quelques heures au continu  * Luminosité (lié au nbre de collisions/s) : jusqu’à 1034 cm-2.s-1 * Nombre de fissions / s : par ex. : 1013 à 1014 fissions/s pour Spiral-2 Aujourd’hui: on estime à ~ 20 000 le nombre d’accélérateurs de particules dans le monde !

Les Accélérateurs de particules: késako ? Cible Source de particule Dispositif d’accélération Focalisation  Le plus simple: la TV ! (écran cathodique)  Beaucoup plus sophistiqué, et à une autre échelle, le complexe d’accélérateurs du CERN

Les accélérateurs : pour quoi faire ? Création Accélération Transport Physique des particules Physique nucléaire Source de neutrons Source de photons (IR-g) Fusion Isotope Thérapie Stérilisation Polymérisation Lithogravure Irradiation Production d’énergie Création de matériaux Radiographie Radiolyse Implantation Secteur médical Secteur industriel Recherche Energie Particules Transmutation © N. Pichoff

AVANT Etude des constituants élémentaires de la matière: les outils sont adaptés aux objets à observer OBJET SONDE AUJOURD’HUI

Pourquoi des particules pour sonder la matière ? www.particleadventure.org

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ACCELERATION DETECTION Faisceau incident (particules sondes, lumière, …) Cible Particules diffusées et/ou créées Détection/Analyse Cas de la projection d’un faisceau sur cible fixe Plus l’énergie du faisceau incident est élevée, plus petite est l’échelle de longueu sondée : révélation de la structure intime de la matière ACCELERATION DETECTION Grands instruments

Les accélérateurs : pour quoi faire ?

Les accélérateurs : pour quoi faire ? Pour étudier les propriétés et caractéristiques des particules, il faut d’abord les isoler. Seule possibilité pour les isoler: casser la matière à l’échelle de l’infiniment petit -> créer des collisions de particules à très forte énergie ! Il faut donc: beaucoup d’énergie beaucoup de particules pouvoir les « maitriser » (guider)

Les différents types d’accélérateurs  Machines circulaires: le faisceau passe plusieurs fois dans la même cavité accélératrice Cyclotrons B constant, Rayon de trajectoire croissant. Synchrotrons B croissant, Rayon de trajectoire constant.  Machines linéaires: le faisceau passe une seule fois dans chaque section d’accélération Accélérateurs électrostatiques Accélération sous une différence de potentiel Linac (LINear Accelerator) RF Accélération dans des cavités hyperfréquences

L’accélération des particules  Accélération par un dispositif électrostatique On instaure une différence de potentiel (d.d.p.,) entre 2 plaques. Limité par la d.d.p. max possible sans claquage.  Accélération par une cavité hyperfréquence Cavité: résonateur HF, borné par des parois conductrices. Si on injecte une onde HF à f résonance -> onde stationnaire, E dans l’axe -> accélération Lorsque l’accélération nécessaire est très forte, et en continu => supraconductivité !!

Les aimants de focalisation  Focaliser pour éviter l’éclatement du faisceau: Exemple des Quadrupôles Un quadrupôle focalise dans un plan (horizontal pour q>0) et défocalise dans l’autre plan (vertical). On focalise le faisceau en alternant le sens des pôles

Le plus grand (et puissant) accélérateur au monde

Le plus grand (et puissant) accélérateur au monde

Le plus grand (et puissant) accélérateur au monde 27 Kms de circonférence ! Le LHC: vitesse des protons: 299,8 millions de m/s en 1 seconde: 11 245 tours ! taille des paquets: 16 millionièmes de mètres ! 31 millions de collisions par seconde !