Liste des accélérateurs en physique des particules

Liste des accélérateurs en physique des particules

Cet article concerne la liste des accélérateurs de particules utilisés pour les expériences de physique des particules. Les tout premiers accélérateurs ont été surtout utilisés en physique nucléaire.

Dans l'histoire de la physique des particules, les rayons cosmiques ont été les premiers fournisseurs de particules (astroparticules) à très haute énergie. La radioactivité ne produit pas de tels projectiles. Les rayons cosmiques ont l'inconvénient d'être rares et d'avoir des énergies imprévisibles (jusqu'à 108TeV soit 100 millions de fois l'énergie des particules du Tevatron[1]). Pour explorer le noyau, comme pour produire des particules, les expérimentateurs souhaitaient disposer de faisceaux de particules connues, animées d'une énergie connue, et maîtriser ainsi les conditions d'expérience. C'est pourquoi la technique des accélérateurs a connu, après le seconde guerre mondiale, des perfectionnements successifs grâce auxquels ces instruments ont pratiquement supplanté les rayons cosmiques comme sources de projectiles à haute énergie[2].

Les accélérateurs de particules ont été construits en tenant compte des 3 idées simples suivantes:

  • Ils n'accélèrent que les particules porteuses d'une charge électrique, sensibles aux champs électriques et magnétiques que la technologie sait produire et utiliser.
  • Les particules accélérées doivent rester stables (ne pas se désintégrer) pendant l'accélération. L'électron et le proton, le positron et l'antiproton répondent à ces conditions. Les ions lourds sont chargés et stables mais mal adaptés à l'étude des particules.
  • Les particules doivent circuler dans un vide suffisant pour ne pas heurter une molécule qui perturberait leur trajectoire[3].

Remarque : dans cette liste, un même accélérateur peut apparaître deux fois (ou plus) dans le même tableau, par exemple avant et après une modification ou une amélioration, et/ou dans deux tableaux (ou plus), selon qu’il a été transformé d’un type en un autre ou bien s’il peut fonctionner selon deux modes. Ainsi, le Tevatron apparaît à trois reprises : une fois dans le tableau "accélérateurs à cible fixe" et deux fois dans le tableau "collisionneurs de Hadrons". Autre exemple, le Large Hadron Collider peut produire des collisions entre protons comme des collisions entre ions, d’où sa présence dans les deux tableaux correspondants.

Sommaire

Les accélérateurs primitifs

Ils utilisèrent tous de simples faisceaux dirigés sur des cibles fixes. Ils furent utilisés pour des expérimentations brèves, peu coûteuses, sans qualificatif (elles n'ont pas porté de nom).

Cyclotrons

Avec les plus grands cyclotrons mis en service avant la guerre, l'énergie atteignait un plafond. Le cyclotron ne peut pas accélérer des particules aussi légères que les électrons, car ces particules se comportent rapidement de manière relativiste.

Accélérateur Localisation Années de
fonctionnement		 Forme Particule accélérée Energie
cinétique		 Notes et découvertes
Cyclotron de 23 cm UC Berkeley - U.S.A. 1931 Circulaire H2+ 1.0 MeV Mise en évidence du concept
Cyclotron de 28 cm UC Berkeley - U.S.A. 1932 Circulaire Proton 1.2 MeV
Cyclotron de 68 cm UC Berkeley - U.S.A. 1932-1936 Circulaire Deutérium 4.8 MeV Interactions deutérium / noyaux
Cyclotron de 94 cm UC Berkeley - U.S.A. 1937-1938 Circulaire Deutérium 8 MeV Découverte de nombreux isotopes
Cyclotron de 152 cm UC Berkeley - U.S.A. 1939-1941 Circulaire Deutérium 16 MeV Découverte de nombreux isotopes
Cyclotron de 4,67 m Berkeley Rad Lab[1] - U.S.A. 1942- Circulaire Diverses >100 MeV Recherche sur la séparation de l'isotope de l'uranium
Calutrons Oak ridge,
Tennessee - U.S.A.		 1943- "En fer à cheval" Noyaux
d'uranium		 Utilisés pour séparer des isotopes du Projet Manhattan

[1] Premier accélérateur construit sur le site actuel du Lawrence Berkeley National Laboratory , connu par la suite sous le nom de Berkeley Radiation Laboratory ("Rad Lab" pour faire court)

Accélérateurs électrostatiques

Une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique statique. Voir les accélérateurs électrostatiques

Accélérateur Localisation Années de
fonctionnement		 Forme Particule accélérée Energie
cinétique		 Notes et découvertes
Accélérateur électrostatique de
Cockcroft et Walton		 Cavendish Laboratory 1932 générateur Cockcroft-Walton Proton 0.7 MeV Le premier à briser le noyau (Lithium)

Synchrocyclotrons

Dans un synchrocyclotron, c'est la dimension de l'électroaimant qui détermine l'énergie finale. La fréquence de résonance du système HF doit pouvoir varier facilement grâce à un condensateur variable intercalé entre le conducteur du duant (dee) et la paroi. Une tension continue, superposée à la tension HF est appliquée à l'électrode d'accélération pour faciliter l'extraction de la source d'ions.

Accélérateur Localisation Années de
fonctionnement		 Forme Particule accélérée Energie
cinétique		 Notes et découvertes
Synchrocyclotron Berkeley - U.S.A. 1948- circulaire proton 350 Mev Etude des mésons π
Synchrocyclotron CERN (Genève) 1958-1990 Circulaire d= 227 cm
Variation de fréquence 30 à 16 Mhz		 Proton 680 MeV Moment magnétique anormal
du muon
Synchrocyclotron Dubna, Russie Décembre 1949- Pôle E.aimant d = 6 m Proton 700 MeV 7000 tonnes
( Tour Eiffel = 7150 t)
Synchrocyclotron Leningrad, Russie Pôle E.aimant d = 7 m Proton 1 GeV 7000 tonnes

Synchrotrons

Moins de métal, moins de puissance électrique : les synchrotrons ont permis un bond en avant de l'énergie . L'énergie du Bevatron de Berkeley , 6,2 GeV n'a pas été choisie arbitrairement : c'est l'énergie minimale nécessaire pour produire des antiprotons.

Accélérateur Localisation Années de
fonctionnement		 Forme
et taille		 Particule
accélérée		 Energie
cinétique		 Notes et découvertes réalisées
Cosmotron Brookhaven
National Laboratory
U.S.A.		 1953-1968 Anneau circulaire
(72 mètres environ)		 Proton 3.3 GeV Particules en V, production artificielle de mesons.
Birmingham
Synchrotron		 Université de Birmingham 1953 Proton 1 GeV
Bevatron Berkeley Rad Lab - LBNL - U.S.A. 1954-~1970 "Piste de course" Proton 6.2 GeV Essai sur les particules étranges. Antiproton, antineutron sont découverts.
Bevalac, combinaison d'un LINAC, un tube de divergence, puis le Bevatron Berkeley Rad Lab - LBNL - U.S.A. ~1970-1993 LINAC suivi d'une "Piste de course" N'importe quel noyau stable pouvait être accéléré Observation de matière nucléaire condensée. Ionisation intra-tumorale en cancérologie.
Saturne I Saclay, France 1958-1997 Proton, ions lourds 3 GeV proton
Zero Gradient Synchrotron Argonne National Laboratory - U.S.A. 12.5 GeV
Proton Synchrotron
PS		 CERN, Suisse 1959- nos jours Diamètre : 200 m
focalisation forte		 Proton 25 GeV[4] Production d’antiprotons.
Nombreuses expériences, dont :
CLOUD, DIRAC, n_TOF.
Également injecteur pour ISR et SPS.
Synchrotron à gradient alternés
AGS		 Brookhaven
National Laboratory-U.S.A.		 1960- Diamètre : 200 m
focalisation forte		 Proton 33 GeV Découverte du neutrino muonique
J/Ψ (1974), Violation CP / kaon

Les accélérateurs à cible fixe

Nombreux furent les accélérateurs modernes qui furent utilisés aussi sur le mode de la cible fixe ; souvent ils furent aussi utilisés comme pré-accélérateurs dans des systèmes collisionneurs, voire eux-mêmes convertit en collisionneurs.
Exemple : le SPS du CERN, qui, tout en étant toujours utilisé pour projeter des particules sur cibles fixes, fut convertit en collisionneur protons/antiprotons, et sert actuellement d’injecteur pour le Large Hadron Collider (LHC)[5].

Accélérateur Localisation Années de fonctionnement Forme et taille Particule accélérée Énergie cinétique Expériences Notes
SLAC Linac Stanford Linear Accelerator Center
U.S.A.		 1966 - Accélérateur linéaire de 3 km Électron/
Positron		 50 GeV Améliorations successives, utilisé pour alimenter le PEP, SPEAR, Stanford Linear Collider, PEP-II
Anneau principal du Fermilab Fermilab-U.S.A. 1972 - 1997
Super Proton Synchrotron
SPS		 CERN , Suisse 1976 - Protons,
ions divers.		 450 GeV pour les protons.
33 TeV pour des ions de plomb.		 Très nombreuses, parmi lesquelles : CNGS, COMPASS, SHINE, création de Plasma quark-gluon. Également transformé en collisionneur Sp\overline{p}S (Super Proton Antiproton Synchrotron) en 1981, et utilisé comme injecteur du LHC.
Bates Linear Accelerator MIT, Middleton, MA, U.S.A. 1974 - 2005 500 MeV linac and storage ring Electrons polarisés
CEBAF Jefferson Laboratory, Newport News, VA, U.S.A. 1994 - 5.75 GeV LINAC recircularisé (mis à niveau 12 GeV) Électrons polarisés
MAMI Mainz, Allemagne 1979 - 855 MeV accélérateur Électrons polarisés
Tevatron Fermilab
Batavia, Illinois, U.S.A.		 1983 - 1987 Anneaux de 6,3 km Améliorations régulières puis transformation en collisionneur
GANIL Caen 1983 - Deux cyclotrons en série. Ions du carbone à l'uranium  ? Voir découvertes du GANIL
Vivitron Strasbourg 1993 - 2003 Électrostatique Van de Graaff tandem[6] Ions divers  ? Performances inférieures aux objectifs, mais néanmoins fonctionnel.
Spallation Neutron Source Oak Ridge National Laboratory-U.S.A. 2006 - Linéaire (335 m) et circulaire (248 m) Protons 800 MeV -
1 GeV

Les collisionneurs

Un collisionneur est une machine qui accélère simultanément deux faisceaux de particules en sens inverse, afin de les faire entrer en collision frontale. Ce type d’installation est plus difficile à construire, mais est bien plus performant qu’un accélérateur "simple" projetant ses particules sur une cible fixe.

Les collisionneurs électrons-positrons (e+/e-)

Dans la grande majorité des cas, les énergies des électrons et des positrons sont identiques. Mais comme il existe également quelques cas où ces énergies sont différentes, le tableau comporte deux colonnes pour différencier les énergies des deux types de particules.

Accélérateur Localisation Années de
fonctionnement		 Forme
et taille		 Energie
des électrons		 Energie
des positons		 Expériences Découvertes notables
AdA Frascati, Italie 1961-1964 Circulaire
circonférence de 130 cm		 250 MeV 250 MeV . .
ACO
Anneau de Collisions d'Orsay		 Orsay, France 1973-1988 Circulaire
circonférence de 22 m		 240 MeV 240 Mev . .
SPEAR SLAC, U.S.A. Mark I (détecteur)
Mark II (détecteur)
Mark III (détecteur)		 Découverte d'états du Charmonium
Quark charme (1974)
Lepton tau (1978)
PEP SLAC, U.S.A. Mark II
Stanford Linear Collider
SLC		 SLAC, U.S.A. Addition au
SLAC Linac		 45 GeV 45 GeV SLD, Mark II Évidence des 3 familles de neutrinos
Mesure de l'angle de mélange électrofaible
Grand collisionneur électron-positon
LEP		 CERN
Genève, Suisse		 (LEP I)
1989-1995
(LEP II)
1996-2000		 Circulaire, 27km 104 GeV 104 GeV Aleph
Delphi
Opal
L3		 Seulement 3 familles de neutrinos existent, impliquant 3 générations de fermions.
Mesures précises de la masse des bosons W et Z.
DORIS DESY
(Hambourg, Allemagne)		 1974-1993 Circulaire, 300m 5 GeV 5 GeV ARGUS, Crystal Ball, DASP, PLUTO Oscillation des mésons B neutres
PETRA DESY
(Hambourg, Allemagne)		 1978-1986 Circulaire, 2km 20 GeV 20 GeV JADE, MARK-J, PLUTO, TASSO Découverte du gluon
dans des événements à 3 jets
CESR Cornell University, U.S.A. 1979-2002 Circulaire, 768m 6 GeV 6 GeV CUSB, CHESS, CLEO, CLEO-2, CLEO-2.5, CLEO-3 First observation of B decay, charmless and "radiative penguin" B decays
CESR-c Cornell University, U.S.A. 2002-? Circulaire, 768m 6 GeV 6 GeV CHESS, CLEO-c
PEP-II SLAC, U.S.A. 1998-2008 Circulaire, 2.2 km 9 GeV 3.1 GeV BaBar Découverte de la violation de la symétrie CP dans le système méson B
KEKB KEK, Japon 1999-2008? Circulaire, 3km 8.0 GeV 3.5 GeV Belle Découverte de la violation de la symétrie CP dans le système méson B
VEPP-2000 Novosibirsk 2006- Circulaire, 24m 1.0 GeV 1.0 GeV
VEPP-4M Novosibirsk 1994-? Circulaire, 366m 6.0 GeV 6.0 GeV
BEPC Chine 1989-? Circulaire, 240m 2.2 GeV 2.2 GeV BES
DAΦNE Frascati, Italy 1999- Circulaire, 98m 0.7 GeV 0.7 GeV KLOE
BEPC II Chine 2008- Circulaire, 240m 3.7 GeV 3.7 GeV Beijing Spectrometer III (en)

Les collisionneurs de Hadrons (p anti p et pp )

Accélérateur Localisation Années
opérationnelles		 Forme
et taille		 Particules
collisionnées		 Energie
des faisceaux		 Expériences (détecteurs)
Anneaux de stockage
à interaction
ISR		 CERN (Europe) 1971-1984 Anneaux circulaires
(948 m)		 Proton/
Proton
&
Proton/
Antiproton[7]		 31,5 GeV Production de particules à
grande impulsion transverse
Super
Proton Synchrotron
Sp\overline{p}S		 CERN (Europe) 1981-1984[8] Anneau circulaire
(6,9 km)		 Proton/
Antiproton		 UA1, UA2
Tevatron
Run I		 Fermilab (U.S.A.) 1992-1995 Anneau circulaire
(6,3 km)
et anneau injecteur		 Proton/
Antiproton		 900 GeV + 900 GeV CDF, D0
RHIC
mode pp		 Brookhaven National Laboratory (BNL - U.S.A.) 2000-ce jour Anneau circulaire
(3,8 km)		 Proton/
Proton		 100 GeV + 100 GeV PHENIX,STAR
Tevatron
Run II		 Fermilab (U.S.A.) 2001-ce jour Anneau circulaire
(6,3 km)
et anneau injecteur		 Proton/
Antiproton		 980 GeV + 980 GeV CDF, D0
quark top (1995)
Large Hadron
Collider
LHC		 CERN (Europe) 10/09/2008-ce jour Anneaux circulaires
(27 km)		 Proton/
Proton		 7 TeV + 7 TeV
Nominal		 ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM

Les collisionneurs protons-électrons (p/e-)

Accélérateur Localisation Années de
fonctionnement		 Forme
et taille		 Energie
des électrons		 Energie
des protons		 Expériences
HERA DESY 1992-2007 Anneau circulaire
(6336 mètres environ)		 27.5 GeV 920 GeV H1, ZEUS, HERMES, HERA-B

Les collisionneurs d'ions

Accélérateur Localisation Années
operationnelles		 Forme
et taille		 Ions
collisionnés		 Energie
des ions		 Experimentations
Collisionneur d'ions lourds relativistes
RHIC		 Brookhaven National Laboratory, New York, U.S.A. 2000- 3.8 km Au-Au; Cu-Cu; d-Au; pp polarisés 0.1 TeV par nucléons STAR, PHENIX, Brahms, Phobos
Large Hadron
Collider
LHC		 CERN, Europe 2009- Anneaux circulaires
(environ 27 km)		 Pb-pb 2.76 TeV par nucleon ALICE

Cas particuliers

  • Le décélérateur d’antiprotons, au CERN : comme son nom l’indique, cet appareil sert à ralentir des antiprotons (produits par des protons projetés à grande vitesse sur une cible métallique), et a donc un principe de fonctionnement inverse de celui d’un accélérateur de particules ! Le but de cette machine est de recueillir des antiprotons (générés grâce à une autre installation), de les amener à basse énergie, et enfin d’en faire un faisceau contrôlé. Ce faisceau peut alors être exploité par certaines expériences qui ne pourraient pas utiliser un flux d’antiprotons "brut"[9].

Notes et références

  1. ↑ H. Przysiezniak , Les casseurs d'atomes , 529 e conférence de l'Université de tous les savoirs , 16-06-2004
  2. ↑ Michel Crozon , La matière première - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions Editions du Seuil,1987
  3. ↑ Michel Crozon, L'univers des particules, Editions du Seuil , 1999
  4. ↑ (fr) public.web.cern.ch ; PS – le synchrotron à protons, un jongleur de particules
  5. ↑ (fr) public.web.cern.ch ; SPS – le supersynchrotron à protons, le premier Seigneur des anneaux
  6. ↑ (fr) Le Vivitron, introduction
  7. ↑ Les collisions proton/antiproton n’eurent lieu qu’à partir d’avril 1981 : public.web.cern.ch ; Proton contre proton, consulté en juillet 2010.
  8. ↑ Le SPS est toujours en service actuellement, mais en tant qu'injecteur pour le LHC et qu'accélérateur sur cible fixe et non en tant que collisionneur, cf plus haut.
  9. ↑ (fr) public.web.cern.ch ; AD – Le Décélérateur d’antiprotons, consulté en août 2009

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