Physique des particules*

Réponse du service Guichet du Savoir


Les particules sont extrêmement petites, et pour les voir et les étudier, les scientifiques ont besoin d' outils très spéciaux.

Ils ont besoin d' accélérateurs , des machines énormes qui accélèrent les particules et les amènent à de très hauts niveaux d'énergie avant de les précipiter sur d'autres particules.

Autour des points où les "collisions" se produisent, les scientifiques montent des expériences qui leur permettent d' observer et étudier ces collisions. Ces expériences utilisent des instruments, parfois gigantesques, faits de plusieurs sortes de détecteurs de particules.

En accélérant les particules et en les faisant entrer en collision, les physiciens peuvent identifier leurs composants ou créer de nouvelles particules, révélant la nature des interactions agissant entre elles.
source : CERN, Centre d'Etude et de Recherche Nucléaire.

Le CERN a élaboré de nombreuses fiches techniques claires pour expliquer l'étude des particules. Vous pouvez en particulier consulter celle sur le fonctionnement de l'accélérateur de particules :

Un accélérateur est généralement constitué d'une chambre à vide entourée d'une longue suite de pompes à vide, aimants, cavités radio-fréquence, instruments à haute tension et de circuits électroniques. Chacune de ces pièces a une fonction bien spécifique.

La chambre à vide consiste en un tuyau métallique d'où l'air est continuellement pompé afin de maintenir une pression résiduelle aussi basse que possible.

A l'intérieur du tube, des particules sont accélérées par des champs électriques. De puissants amplificateurs produisent d'intenses ondes radio-fréqunce qui viennent alimenter des structures de résonance, les cavités Radio-Fréquence (RF). A chaque passage des particules à travers la cavité RF, une partie de l'énergie de l'onde radio leur est transferée et elles sont accélérées

Afin de faire un usage plus efficace d'un nombre limité de cavités, les concepteurs d'accélérateurs forcent le faisceau de particules à passer plusieurs fois à travers ces cavités en courbant sa trajectoire en une boucle fermée. C'est pourquoi la plupart des accélérateurs ont une forme à peu près circulaire.

La courbure de la trajectoire du faisceau est généralement assurée par le champ magnétique d' aimants dipôles. Ceci vient du fait que la force magnétique exercée sur des particules chargées est toujours perpendiculaire à leur vitesse - idéale pour courber la trajectoire! Plus l'énergie de la particule est élevée, plus le champs nécessaire devra être intense. Etant donné que le champ magnétique maximum est limité (à environ 2 Tesla pour les aimants conventionnels et à 10 Tesla pour les aimants supraconducteurs), cela signifie que plus la machine est puissante, plus elle doit être de grande taille.

Il n'est pas suffisant de courber le faisceau, il faut aussi le focaliser. Tout comme un faisceau de lumière, un faisceau de particules, laissé à lui-même a tendance à diverger. Focaliser le faisceau consiste à maintenir sa largeur et sa hauteur de telle sorte qu'il reste à l'intérieur de la chambre à vide. Ceci est réalisé par des aimants quadrupôles, qui agissent sur le faisceau de particules tout comme le ferait une lentille sur un faisceau de lumière.

Tels sont, pour l'essentiel, les ingrédients de base nécessaires à la construction d'un accélérateur. Si vous regardez, par exemple, autour du PS au CERN, vous verrez qu'il y a beaucoup plus d'objets tels que:

d'autres aimants (pour "affiner" la trajectoire ou la focalisation)
des éléments d'injection / éjection (pour faire entrer ou sortir le faisceau de l'accélérateur)
des appareils de mesure (pour fournir aux opérateurs des informations sur le comportement du faisceau
des éléments de sécurité.



Ci-dessus, le grand collisionneur de hadrons, Large Hadron Collider (LHC) est un accélérateur de particules qui sondera la matière plus profondément que jamais auparavant. Prévu pour démarrer en 2007, il permettra à terme des collisions de faisceaux de protons à une énergie de 14 TeV. Des faisceaux de noyaux de plomb seront également accélérés, entrant en collision avec une énergie de 1150 TeV.
Pour en savoir plus sur le LHC.