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Les accélérateurs de particules

A quoi sert un accélérateur de particules ?


​De l’étude des constituants ultimes de la matière à la stérilisation dans l’industrie agroalimentaire en passant par l’étude des matériaux, … découvrez à quoi servent les accélérateurs de particules.

Publié le 6 janvier 2016

Depuis la conception technique d'un accélérateur dans les années 1920, les accélérateurs de particules se sont beaucoup développés et ont pris des tailles très diverses, de quelques mètres à quelques dizaines de kilomètres.
On peut classer les accélérateurs en deux grandes catégories :

  • Linéaires, où le faisceau de particules traverse une seule fois l'accélérateur
  • Circulaires, où le faisceau de particules repasse plusieurs fois par les mêmes sections.


Mais il existe beaucoup de sous-catégories selon les techniques d'accélération et il y a des variantes combinant différentes catégories. Les grands centres d'accélérateurs utilisent souvent une suite d'accélérateurs de différents types.
On peut classer les accélérateurs selon leurs utilisations, ce qui correspond d'ailleurs aussi à peu près à leur développement historique.


Les utilisations des accélérateurs de particules

Etudier la matière et explorer l’atome
grâce aux collisions de particules

L'objectif premier d'un accélérateur est de communiquer de l’énergie à des particules et de provoquer leurs collisions afin d'étudier leurs natures et leurs propriétés. C'est l'étude des constituants élémentaires de la matière.

Pour comprendre un objet complexe (la matière, sa nature, ses propriétés, son origine), les chercheurs l'analysent, c’est-à-dire le découpent en petits morceaux plus simples à étudier, avec l'espoir de pouvoir ensuite comprendre l'ensemble.

Le plus grand accélérateur de particules au monde servant cet objectif de recherche fondamentale est le LHC au CERN (Suisse). C'est un accélérateur circulaire de 27 km de circonférence, lui-même alimenté en particules (protons ou ions de plomb) par toute une série d'accélérateurs linéaires et circulaires.


LHC - Le plus grand collisionneur de particules au monde
Le LHC est le plus puissant accélérateur de particules au monde, localisé à Genève (Suisse). A gauche : son tracé vu du ciel. A droite : le tunnel où il est installé. © CERN


Il existe aussi des accélérateurs linéaires qui servent à faire collisionner les particules comme le SLAC à Stanford (Etats-Unis) de 3 km de longueur, ou le projet international ILC de 30 km de longueur.

Les communautés d'utilisateurs sont essentiellement les physiciens nucléaires (étude du noyau atomique) et les physiciens des particules (étude des constituants du noyau).

VidéoQu'est-ce qu'un ion ?


Par ailleurs, en France, depuis 1983, les physiciens disposent du Grand accélérateur national d'ions lourds, le Ganil. Cet accélérateur d’ions, reconnu Grande installation européenne depuis 1995, est un équipement commun au CEA et au CNRS dédié aux recherches fondamentales et appliquées en physique nucléaire, en physique atomique et des matériaux. Chaque année, plus de 700 physiciens y sont accueillis pour étudier l’atome et son noyau, dont près de 300 chercheurs étrangers (en majorité européens). Grâce au Ganil, les chercheurs ont fait de nombreuses avancées et découvertes sur la structure du noyau de l'atome, ses propriétés et l’interaction d’ions lourds avec la matière.

Spiral2 (Système de Production d’Ions Radioactifs Accélérés en Ligne) produira et accélèrera dès 2016 des faisceaux d’ions stables parmi les plus intenses du monde. Ils permettront de mener des études jusqu’alors impossibles, ouvrant ainsi de nouveaux horizons à la physique du noyau, dans la continuité des expériences réalisées au Ganil depuis plus de 30 ans. Spiral2 donnera à la France et à l’Europe une réelle avance technologique et scientifique.


Injecteur Spiral2
Spiral2 - Implantée au Ganil, cette installation est destinée à produire en abondance des noyaux
qui n’existent pas à l’état naturel sur Terre et qui sont appelés noyaux exotiques. © P.Stroppa/CEA


AnimationVisite virtuelle - Le Grand accélérateur national d'ions lourds (Ganil)Afficher en plein écran

P​our une meil​leure immersion, ​afficher la visite virtuelle en plein écran.
VidéoPourquoi étudier les noyaux exotiques ?

Les noyaux exotiques, la spécialité du Ganil

La « spécialité » du Ganil est la production et l’étude des noyaux exotiques. Inexistants sur Terre, ces noyaux qui comportent des proportions anormales de neutrons, représentent près de 90 % des noyaux présents dans l’Univers. Ces noyaux intéressent tout particulièrement les physiciens car leur structure est bien différente de celle des noyaux classiques. En forme de poire, de cacahuète ou de soucoupe volante, … ils bousculent les représentations. Leur étude est essentielle dans de nombreux domaines de la physique nucléaire. Elle permet entre autres de tester les modèles théoriques sur la cohésion du noyau, mais aussi de l’astrophysique, notamment pour comprendre la formation des noyaux des atomes au sein des étoiles. Les noyaux exotiques se révèlent être une véritable mine d’informations (propriétés nouvelles, cohésion accrue, déformations insoupçonnées,…), remettant en cause les connaissances sur le noyau atomique.



Sonder les matériaux en produisant
un rayonnement synchrotron

En voulant étudier la matière de plus en plus profondément, on a besoin d’énergies de plus en plus élevées. Lorsque les trajectoires des particules sont courbées, celles-ci émettent de l'énergie sous forme de lumière appelée rayonnement synchrotron. C'est un phénomène parasite non voulu car l’énergie perdue l’est au détriment de celle de l’accélération. Mais les chercheurs se sont vite rendus compte que ce rayonnement est très directionnel (un peu comme un laser), très puissant, jusqu'à 10 000 fois plus brillant que la lumière solaire, avec un spectre de couleurs très riche, des rayons X jusqu'à l'infrarouge. Ce rayonnement synchrotron peut donc être utilisé comme un microscope, à la fois puissant et souple, pour sonder et analyser des matériaux aussi divers que les cristaux, les semi-conducteurs, le béton, les cellules vivantes ou les œuvres d'art.
AnimationsynchrotronAfficher en plein écran
Schema-Principe-synchrotron.jpgSchéma de principe du synchrotron : Les équipements de base de SOLEIL sont l’accélérateur linéaire, le booster et l’anneau de stockage. Le rayonnement synchrotron est dirigé par des systèmes optiques vers les stations expérimentales. Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, chimie, sciences de la Terre… © Synchrotron SOLEIL – EPSIM – Jean-François Santarelli


Travail sur la ligne FIP de l'ESRF
Travail sur la ligne FIP de l'ESRF © D.Morel/CEA
Les accélérateurs spécialement optimisés pour produire le rayonnement synchrotron ont donc été conçus dès les années 1960. Ils sont utilisés par une très large communauté venant de différents domaines, scientifiques (physique, chimie, biologie, etc.) ou techniques (matériaux, œuvres d'art, etc.). De ce fait, ces accélérateurs sont parmi les plus répandus dans le monde. En France, le synchrotron SOLEIL, sur le plateau de Saclay, ou encore l’ESRF à Grenoble relèvent de cette catégorie d’accélérateurs.

Vue aérienne du synchrotron SOLEIL
SOLEIL est le centre de rayonnement synchrotron français à la fois grand instrument pluridisciplinaire et laboratoire de recherche. © Synchrotron SOLEIL – CAVOK Production/Laurent Persin


Production de rayonnement synchrotron-E-XFEL

Depuis peu, la communauté scientifique s'intéresse aux accélérateurs linéaires produisant des flash de lumière synchrotron ultracourts et auto-amplifiés comme E-XFEL (European X-ray Free Electron Laser) en cours de construction à Hambourg, Allemagne, qui fera 3 km de long. Ici, les trajectoires des électrons sont courbées de façon répétée sur des périodes de l'ordre du centimètre, de telle manière que la lumière émise s'auto-amplifie.

Accélérateur d'électrons XFEL
Accélérateur d'électrons XFEL © P.Dumas/CEA


Irradier les matériaux, stériliser et guérir

Avec le développement d’accélérateurs de plus en plus performants et fiables, fournissant des faisceaux de particules avec des propriétés pratiquement à la demande, il est désormais possible de les utiliser pour irradier des cibles de toute nature.

Plateforme Doseo
Plateforme Doseo - Accélérateur linéaire Elekta
© A.Lorec/CEA
La cible peut être une tumeur maligne à traiter (secteur médical), un aliment à stériliser (secteur sécurité alimentaire), ou encore une cible de spallation destinée à produire des neutrons (secteur recherche scientifique) comme ESS, European Spallation Source, à Lund, Suède. Pour chaque type d'utilisation, il y a donc un accélérateur ou un type d'accélérateur dédié.


IFMIF
L'installation IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) a été conçue à Saclay ; elle envoie un faisceau de deutérium, via un accélérateur, un injecteur et une cavité RFQ sur une cible lithium, pour produire un flux de neutrons. Cette installation permet d'étudier la résistance des matériaux des tokamaks du futur. © P.Stroppa/CEA