Par le ministère américain de l’énergie
20 juin 2023
Les accélérateurs de particules propulsent les particules chargées à des vitesses élevées afin d’étudier leurs collisions, ce qui permet d’obtenir des informations inestimables sur la physique quantique. Ces dispositifs, linéaires ou circulaires, permettent aux scientifiques de comprendre les interactions entre les particules. L’Office of Science du ministère de l’énergie soutient plusieurs accélérateurs de particules à travers le pays, contribuant ainsi aux progrès de la recherche sur l’accélération des particules et la génération de rayonnements.
Les accélérateurs de particules, machines qui propulsent rapidement des particules chargées comme les protons, les noyaux atomiques et les électrons afin d’étudier leurs collisions, ont permis d’approfondir notre compréhension de l’univers, en particulier dans le domaine de la physique quantique.
Les accélérateurs de particules sont des dispositifs qui accélèrent les particules qui composent toute la matière de l’univers et les font entrer en collision entre elles ou avec une cible. Cela permet aux scientifiques d’étudier ces particules et les forces qui les façonnent.
Plus précisément, les accélérateurs de particules accélèrent les particules chargées. Il s’agit de particules dotées d’une charge électrique positive ou négative, telles que les protons, les noyaux atomiques et les électrons qui gravitent autour des noyaux atomiques. Dans certains cas, ces particules atteignent des vitesses proches de celle de la lumière.
Lorsque les particules entrent en collision avec des cibles ou d’autres particules, les collisions qui en résultent peuvent libérer de l’énergie, produire des réactions nucléaires, disperser des particules et produire d’autres particules, telles que des neutrons. Les scientifiques ont ainsi un aperçu de ce qui maintient les atomes, les noyaux atomiques et les nucléons ensemble, ainsi que du monde des particules telles que le boson de Higgs.
Ces particules et ces forces font l’objet du modèle standard de la physique des particules. Les scientifiques ont également un aperçu de la physique quantique qui régit le comportement du monde à des échelles incroyablement petites. Dans le domaine quantique, la physique classique newtonienne avec laquelle nous vivons tous les jours est insuffisante pour expliquer les interactions entre les particules.
Le détecteur STAR du collisionneur d’ions lourds relativistes suit des milliers de particules produites lors de collisions d’ions lourds tels que l’or, comme le montrent les traces de particules colorées à droite de l’image. Cela permet aux scientifiques d’étudier le plasma de quarks et de gluons et le comportement de la matière à des densités d’énergie élevées. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Comment ces machines accélèrent-elles les particules ? Elles les injectent dans une « ligne de faisceaux ». Il s’agit d’un tuyau maintenu à très basse pression afin de préserver l’environnement de l’air et de la poussière qui pourraient perturber les particules lors de leur passage dans l’accélérateur.
Les particules injectées dans un accélérateur sont appelées « faisceau ». Une série d’électro-aimants oriente et concentre le faisceau de particules. Dans un accélérateur linéaire ou LINAC (prononcé line-ack ou lin-ack), les particules se dirigent directement vers une cible fixe. Dans un accélérateur circulaire, les particules se déplacent autour d’un anneau, gagnant constamment en vitesse. Les accélérateurs circulaires peuvent accélérer les particules dans un espace plus réduit qu’un LINAC, mais ils sont généralement plus complexes à construire et à faire fonctionner. Cependant, comme les particules se déplacent en cercle, les accélérateurs circulaires créent beaucoup plus d’occasions de collision entre les particules.
Les particules entrent en collision les unes avec les autres ou avec une cible dans un appareil appelé détecteur de particules. Cet appareil mesure la vitesse, la masse et la charge des particules. Ces informations permettent aux scientifiques de déterminer quels types de particules résultent d’une collision.
Sommaire
En bref
DOE Office of Science : Contributions aux accélérateurs de particules
L’Office of Science du ministère de l’énergie soutient les accélérateurs de particules et la recherche qui utilise ces dispositifs, principalement par le biais de ses programmes de physique des hautes énergies et de physique nucléaire. Ces programmes financent des accélérateurs de particules dans tout le pays. L’Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) du Argonne National Laboratory est le premier accélérateur linéaire supraconducteur pour les ions lourds. Au Brookhaven National Laboratory, le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) est le premier collisionneur d’ions lourds au monde, capable de travailler avec des particules telles que les ions d’or et les protons polarisés. Brookhaven abrite également l’Accelerator Test Facility, qui fournit des équipements permettant aux scientifiques d’étudier l’accélération des particules et la production de rayonnements.
Le Fermi National Accelerator Laboratory est le principal laboratoire américain de physique des particules. Fermi abritait le collisionneur le plus puissant du monde jusqu’à ce que cet appareil, le Tevatron, soit remplacé par le Grand collisionneur de hadrons en 2009. Le Continuous Electron Beam Accelerator Facility du Thomas Jefferson National Accelerator Facility aide les scientifiques à étudier la structure des protons et des neutrons. Le Facility for Rare Isotope Beams de la Michigan State University est un accélérateur linéaire qui permet d’étudier les noyaux exotiques, en particulier les isotopes. Le SLAC National Accelerator Laboratory a commencé à exploiter un accélérateur linéaire de particules en 1962. Aujourd’hui, le SLAC soutient la recherche sur la conception d’accélérateurs avancés pour des installations du monde entier.