Dossier | Recherche fondamentale | Les accélérateurs de particules
Outils indispensables pour explorer l'atome (1/4)
Le noyau atomique est le cœur de l'atome. Il est constitué d’un assemblage de nucléons : les protons (de charge électrique positive) et les neutrons (électriquement neutres).
Août 2006
Focus
Quelques repères historiques sur les accélérateurs.
Un autre usage des accélérateurs : l'irradiation
En marge des accélérateurs dédiés à la physique nucléaire, de nombreux accélérateurs de faible énergie ont été développés pour l'irradiation. Ce type d'accélérateur est généralement utilisé pour la stérilisation de matériel médical, le traitement de tumeurs cancéreuses, l'ionisation d'aliments…
Le saviez-vous ?
Si les tous premiers accélérateurs pouvaient tenir dans la main (leur diamètre ne dépassait pas une dizaine de centimètres), ce n'est plus du tout le cas aujourd'hui. Les cyclotrons du Ganil font plusieurs mètres de diamètres, le synchrotron Soleil (France) fera plusieurs centaines mètres de circonférence, quant au collisionneur LHC du Cern (Suisse), il atteindra les 27 km de circonférence !
Situé au centre de l’atome, le noyau est mille fois plus petit et contient 99,97% de sa masse. Cet objet est donc très dense, si dense que la matière dont est fait un noyau est un million de milliards de fois plus dense que la matière ordinaire. C’est cette caractéristique particulière, qui a rendu l’observation du cœur du noyau longtemps impossible. Après la découverte de Rutherford, les physiciens ont donc cherché à mettre au point une technique capable de vaincre la force du noyau pour pouvoir l’observer directement. Dans les années 30, l’idée d’utiliser des particules accélérées à très grande vitesse pour les projeter sur le noyau se concrétise avec la mise au point des tous premiers accélérateurs de particules. Depuis les années 30, cette technologie n’a cessé de s’améliorer permettant aux physiciens d’affiner la description et la compréhension du noyau atomique. Les accélérateurs sont devenus des outils indispensables à la physique nucléaire.
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Le Grand accélérateur national d'ions lourds
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 en physique nucléaire. Chaque année, plus de 400 physiciens y sont accueillis pour étudier le noyau atomique, dont prés de 320 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 thermiques et mécaniques.
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 poires, de cacahuètes de soucoupe volante, … ils bousculent les représentations. Leur étude est essentielle dans de nombreux domaines de la physique nucléaire, elle permet notamment 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 et des supernovae. 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.
Au Ganil, les noyaux exotiques sont produits et accélérés grâce à l’installation Spiral. Depuis sa mise en service en 1983, plus de cent nouveaux noyaux ont été synthétisés au Ganil comme les noyaux doublement magiques de Nickel 48 et d’Etain 100. Par ailleurs, des études sur les propriétés des noyaux à halo, comme le Lithium 11 ou l’Hélium 6, où les neutrons supplémentaires forment un halo séparé du cœur du noyau sont désormais possibles. Enfin des noyaux dans des états isomériques, c'est-à-dire des états excités du noyau d’une durée de vie anormalement grande, ont pu être produits et mesurés.