Comment fonctionne un accélérateur de particules?
Un accélérateur de particules est un appareil physique qui utilise des champs électriques pour accélérer des particules chargées à des vitesses immenses, parfois des fractions importantes de la vitesse de la lumière. Les particules les plus courantes dans les accélérateurs de particules sont les protons et les électrons, éléments constitutifs de l'atome.
Un accélérateur de particules est utilisé pour observer le comportement de petites particules à des vitesses et des énergies élevées, ainsi que pour des tâches plus courantes, telles que la génération d'un type spécifique de rayonnement électromagnétique. Les accélérateurs de particules sont souvent utilisés pour briser des particules les unes contre les autres à très grande vitesse, révélant ainsi leurs composants les plus fondamentaux. Le générateur de rayons X et le poste de télévision sont des exemples courants d'accélérateurs de particules, avec la même conception de base que leurs cousins plus grands utilisés dans des expériences de physique des hautes énergies. Un accélérateur de particules appartient à l'une des deux catégories suivantes: circulaire ou linéaire.
Dans un accélérateur de particules circulaire, les particules sont accélérées selon un trajet circulaire continu. L'avantage de cette disposition est que la particule peut être dirigée dans un cercle plusieurs fois, ce qui permet d'économiser du matériel. L'inconvénient est que les particules dans les accélérateurs circulaires émettent un rayonnement électromagnétique, appelé rayonnement synchrotron. Parce que leur élan les incite constamment à s’envoler sur une trajectoire tangentielle au cercle, de l’énergie doit constamment être dépensée pour les maintenir sur la trajectoire circulaire, ce qui signifie que les accélérateurs circulaires de particules sont moins efficaces. Dans les grands accélérateurs, le rayonnement synchrotron est si intense que tout l'accélérateur doit être enfoui sous terre pour respecter les normes de sécurité. L’accélérateur de particules Fermilab dans l’Illinois a une trajectoire circulaire de 6,43 km.
Les accélérateurs linéaires déclenchent des particules en ligne droite sur une cible fixe. Le tube à rayons cathodiques de votre téléviseur est un accélérateur de particules à faible énergie qui déclenche des photons dans le domaine de la lumière visible sur une plaque de verre, l’écran. Le flux de photons est constamment redirigé pour remplir l'écran de pixels. Cette redirection se produit assez rapidement pour que nous percevions le flux alternatif de photons comme une image continue.
Les accélérateurs linéaires à haute énergie, ou linacs , sont utilisés dans les applications de la physique. Une série de plaques attire et repousse alternativement les particules chargées qui les traversent, les entraînant vers l'avant lorsqu'elles ne l'ont pas encore traversée et les repoussant après. De cette manière, des champs électriques alternatifs peuvent être utilisés pour accélérer les flux de particules à des vitesses et des énergies très élevées. Les physiciens utilisent ces accélérateurs pour simuler des conditions exotiques, telles que celles situées au centre des étoiles ou proches du début de l'univers. Le "zoo de particules" décrit par le modèle standard de la physique des particules a été découvert progressivement dans des expériences avec accélérateur de particules. Le plus grand accélérateur linéaire de particules est l’accélérateur linéaire de Stanford d’une longueur de 3,2 km.