Les accélérateur de particules
 


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Auteur : Thibaut BERNARD

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Mise à jour : jeudi 22 juin 2006.

 

Voir l'article sur les atomes.

 

Les accélérateurs de particules

Définition

Définissons d'abord ce qu'est un accélérateur de particule. Comme son nom l'indique, c'est un appareil qui permet de mettre des particules en mouvement de plus en plus rapide. Mais dans quel but ?
Tout simplement pour faire s'entrechoquer des particules avec d'autres particules ou des atomes. En fonction des particules mises en jeu et de l'explosion provoquée, cela permet de les étudier ainsi que les énergies générées.

Dans notre schèma servant ici d'exemple, la particule fait deux tours, mais dans la pratique les particules effectuent des milliers de tours jusqu'à ce qu'elles aient atteintes la vitesse et l'énergie nécessaires pour frapper la cible à l'arrivée.

Pour prendre une métaphore, prenons un canon et lançons un boulet pour faire exploser un mur. Un accélérateur de particules, c'est tout simplement cela, l'accélérateur c'est le canon et le boulet une particule. Quand le mur explose nous y étudions les milliers de petits cailloux (toutes les petites particules générées) et l'énergie (la chaleur dégagée au moment de l'impact du boulet sur le mur). À la différence près que dans un accélérateur, on va maîtriser la trajectoire de la particule de manière à obtenir la vitesse et l'énergie voulues lors de l'impact.

Au départ la taille des particules et leurs énergies sont si infimes (de l'ordre du dix millionième de millimètre pour leurs dimensions) qu'il faut les accélérer à une vitesse proche de celle de la lumière (300 000 km/s) pour que les énergies détectées dues à l'impact soient mesurables.

D'autre part, pour les mettre en mouvement, la solution actuellement utilisée est la propulsion électromagnétique ; Ce qui implique de prendre des particules ayant une charge électrique comme le proton ou l'électron.

 

Le CERN
Centre Européen pour la Recherche Nucléaire

Quelques dates clés

1949. Louis de Broglie, Prix Nobel de physique, eut l'idée de créer un laboratoire scientifique européen.
1952. Onze pays européens décident de créer un Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) qui a été nommé Centre Européen pour la Recherche Nucléaire lors de sa création en 1954.
29 septembre 1954. Création officielle du CERN.
1957. Mise en service du premier accélérateur (le Synchro-Cyclotron).
1983. Les forces faible et électromagnétique sont presque entièrement confirmées.
Octobre 1984. Simon van der Meer et Carlo Rubbia reçoivent le Prix Nobel de physique pour la découverte de la force électrofaible.
13 novembre 1989. Inauguration du LEP (Large Electron-Positron Collider), le grand collisionneur électron-positon. Il est installé dans un tunnel de 27 km de circonférence. Histoire du Lep.
Septembre 1995. Première création d'antimatière certes en faible quantité et d'une durée de vie très courtes, mais suffisante pour avoir eut le temps d'en mesurer l'existence.
10 juillet 1996. Production d'une paire de particules appelées W+ et W- par le collisionneur électron-positon. La force faible est transportée par les particules W+, W- et Zo.
Mai 2001. Début du démontage du LEP pour être remplacé par le Grand collisionneur de hadrons (LHC ou Large Hadron Collider) qui permettra, comme on l'espère de découvrir le boson de Higgs.
7 mars 2005. Installation du premier aimant supraconducteur du LHC qui en comportera 1232.
15 février 2006. Réussite d'un test permettant le transfert de données allant jusqu'à 1 giga octet par seconde ; L'équivalant d'un DVD transmis toute les cinq secondes ou de trois CD ROM toutes les deux secondes.
2007. Si tout se passe comme prévu, recherche sur le boson de Higss.

Pour plus de précision

Quels sont les plus grandes réussites du CERN ?
Chronologie du Cern.
Liste des recherches.


Le boson de Higgs

Toute la matière est formé d'atomes composés de particules (électron, proton et neutron). Ces particules restent groupés ensemble grâce à quatre types de colle, la gravité, la force électromagnétique, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte.
Ces forces agissent par l'échange d'autres particules, les bosons. Nous connaissons déjà trois types de bosons :

les bosons faibles pour la force nucléaire faible,
les gluons pour la force nucléaire forte,
le photon pour la force électromagnétique.

Les masses

Concernant la gravitation, dans les années 60 Peter Higgs supposa qu'il existe d'une manière ou d'une autre une particule représentant la masse au même titre que le photon pour l'électromagnétisme.
À ce jour le boson de Higgs n'a pas encore été observé. Et c'est le but des travaux qui sont effectués actuellement au Cern de Genève. On est entrain d'améliorer l'accélérateur de particules dans l'espoir d'observer expérimentalement ce boson de Higgs. Cette observation est normalement prévue pour 2007.

La presse en parle

Le Cern à la conquête du boson de Higgs, par Le Figaro.
Le CERN se prépare à la traque de l'étrange boson de Higgs, par Le Monde.


L'antimatière

C'est exactement la même chose que la matière à la différence près que les particules ont une charge électromagnétique opposée. Dans la matière, l'électron a une charge négative, alors dans l'antimatière, l'électron a une charge positive. Dans la matière, le proton a une charge positive, alors dans l'antimatière, l'électron a une charge négative.


La supraconductivité

Définition

Voir d'abord les articles sur la température et l'électricité. Pour rappel, l'électricité c'est, pour simplifier, des électrons qui se faufilent d'un bout à l'autre d'un fil. La température est représentée par le mouvement plus ou moins rapide des atomes (et des molécules) dans la matière.
Plus la température est élevée, plus les atomes s'agitent, et plus les électrons ont donc de chance de percuter les atomes dans leur trajectoire. Une température élevée accroit donc sa résistance à l'électricité. Dans un matériau où en théorie les atomes seraient parfaitement alignés et à température nulle (au zéro absolu à -273,16 degrés Celsius), la résistance est donc nulle puisqu'il y a des trajectoires ou les électrons pourraient parcourir des dizaines de mètres en ligne droite sans rencontrer un atome.

Intérêt de la supraconductivité

Pour un électro-aimant par exemple, plus la température ambiante est élevée, plus il faudra donc fournir d'énergie à l'électro-aimant pour produire un champ électromagnétique d'une certaine puissance.
À quantité d'énergie égale, plus la température est basse, plus le champ électromagnétique sera donc élevé.
Évidement il faut de l'énergie pour refroidir l'électro-aimant ; Mais le tout sera donc de trouver le meilleur compromis pour avoir le meilleur rendement, c'est-à-dire pour avoir le champ électomagnétique le plus puissant tout en consommant le minimum d'énergie.
Il y a bien entendu des situations comme dans les accélérateurs de particules où l'on doit coûte que coûte avoir un champ électromagnétique le plus élevé possible, quitte à être moins regardant sur la facture d'électricité. Dans ce cas en plus de la puissance fournie en électricité, pour augmenter encore le champ électromagnétique, on abaissera au maximum sa température.
C'est la raison pour laquelle le collisionneur de hadrons (le LHC) va être composé d'aimants supraconducteurs.


Le Web

Même si la partie technique d'Internet n'a à première vue aucun lien direct avec la recherche sur les particules élémentaires, il faut quand même signaler un point très important fait au CERN.
Chaque scientifique et chaque établissement ont des besoins spécifiques en matériels, et pourtant il faut bien qu'ils s'échangent leurs travaux. Pour cela Tim Berners-Lee a créé en 1989 au CERN un protocole de communication qui permit à tous les ordinateurs de parler le même langage. Ce protocole est tout simplement le WWW avec son TCP IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol).