Accelerateur de particule

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  • Publié le : 31 décembre 2010
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les accélérateurs de particules
Les accélérateurs de particules ouvrent des fenêtres sur l'infiniment petit comme sur l'infiniment grand. Si leur conception et leur utilisation ont profondément évolué en plus d'un demi-siècle, leur fonction principale n'a pas changé: comprendre ce qui se passe au sein de la matière, avec l'espoir de parvenir à une compréhension globale des interactions quirégissent l'Univers, à l'échelle des particules comme à celle des galaxies.
Les accélérateurs de particules sont des dispositifs destinés à communiquer des vitesses considérables à des particules possédant une charge électrique: électrons, protons ou ions lourds. Leur principal intérêt est l'étude des liaisons très fortes qui assurent la cohésion des particules dites «élémentaires» (proton et neutron,par exemple), qui, selon les théories modernes, seraient elles-mêmes constituées de particules «plus élémentaires» encore.
Les premiers accélérateurs furent conçus, dans les années 1930, pour étudier le noyau atomique. Puis, dans les années 1960, le but visé fut l'obtention de nouvelles particules, à partir de celles qui avaient déjà été découvertes. Depuis 1970, les grands accélérateurs mis enservice ont permis le développement expérimental de la physique des particules, dont l'activité se concentre aujourd'hui sur la «chasse au quark» – les quarks étant ces sous-particules hypothétiques considérées actuellement comme les constituants ultimes de la matière.
Ce domaine offre-t-il des «retombées» autres que scientifiques? Personne ne peut prédire le devenir de recherches purementthéoriques qui rassemblent aujourd'hui des scientifiques du monde entier: lors de sa découverte, au XVIIIe siècle, l'électricité ne fut-elle pas considérée comme une curiosité de salon pour oisifs cultivés? Et pourtant...
Les projectiles
Tout atome est formé d'un «nuage» d'électrons, nuage dont les dimensions sont de l'ordre de 10-10 m, entourant un noyau 100 000 fois plus petit encore et constitué parl'assemblage d'un certain nombre de protons et de neutrons. Les neutrons sont dépourvus de charge électrique, tandis que chaque proton porte une charge élémentaire positive e (e = 1,6 × 10-19 C). L'électron, lui, porte une charge négative -e. La cohésion de l'atome est assurée par l'attraction électrostatique entre les charges positives du noyau et les charges négatives du nuage d'électrons. Laneutralité de l'atome traduit l'égalité entre le nombre de protons du noyau et le nombre d'électrons du nuage. Si on parvient à enlever ou à ajouter un ou plusieurs électrons à ce nuage, la neutralité est rompue; l'atome devient un ion positif ou négatif, un atome auquel on enlève deux électrons devient un ion positif, de charge 2e. À partir de là, une grande variété de projectiles est envisageable:ions, électrons, protons (par ionisation d'un atome d'hydrogène), deutérons (par ionisation du deutérium, isotope de l'hydrogène formé d'un proton et d'un neutron). Ils sont utilisés tant en physique nucléaire (pour les ions lourds) qu'en physique des particules (pour les autres).

Caractéristiques des accélérateurs

Pour étudier les liaisons au sein de la matière, qui jouent dans sastructure un rôle fondamental, la méthode la plus accessible consiste à les casser par des chocs extrêmement violents. À cette échelle, les projectiles utilisables sont eux aussi des particules, qui doivent être animées d'une très grande vitesse. La première expérience de physique fondée sur cette méthode fut réalisée en 1919 par E. Rutherford, qui eut l'idée d'utiliser comme projectiles les particulesalpha émises par les éléments radioactifs naturels. Il était persuadé qu'elles pourraient pénétrer à l'intérieur des noyaux d'atomes légers et provoquer leur cassure. Un faisceau de particules alpha émises par du radium fut dirigé sur de l'azote. Rutherford observa alors – outre la transmutation de l'azote en hydrogène – une production d'ions d'hydrogène, mais en quantité extrêmement faible: à...
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