3.2 Accélération et focalisation

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

49 notes

University of Geneva

Physique des particules - une introduction

49 notes

Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.

À partir de la leçon

Accélérateurs et détecteurs

Dans ce module, on va toucher les bases de la physique des accélérateurs et des méthodes de détection pour les particules. On passera en revue les principes de l'accélération et focalisation de particules chargées par les champs électromagnétiques. On verra comment ces principes sont appliqués dans les accélérateurs et anneau de stockage modernes. Vous serez introduit aux processus physiques qui permettent de détecter les différents types de particules et comment ils sont utilisé dans des détecteurs modernes.

3.2 Accélération et focalisation8:41

3.2a Le complexe des accélérateurs du CERN4:14

Rencontrer les enseignants

Martin Pohl
Professeur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes Paniccia
Collaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire

[MUSIQUE] Dans

ce troisème module,

on est en train de parler des bases

physiques des accélérateurs, des méthodes pour détecter les particules.

Dans cette deuxième vidéo du troisième module, on va parler des mécanismes

d'accélération et focalisation qu'on utilise dans les accélérateurs modernes.

Vous allez apprendre quels sont les composants principaux d'un accélérateur,

comment ils fonctionnent ensemble, pour donner

des énergies au niveau de thèmes comme le complexe du CERN

qui est en opération dans ces jours.

Dans un accélérateurs, les particules évoluent dans un tube évacué,

donc dans le vide, pour évider les interactions avec les molécules de l'air

qui peuvent engendrer une perte d'énergie ou une transformation des particules.

Mais néanmoins, on a besoin dans un anneau de destockage d'une référence

accélératrice, parce que toute particule chargée qui est accélérée

perd une certaine partie de son énergie par rayonnement, en émettant des photons,

et ceci on l'appelle le rayonnement de freinage ou bremsstrahlung.

C'est le même phénomène que l'on utilise pour produire des photons

dans un tube à rayons X, que vous voyez ici dans ce schéma.

Donc on a une haute tension qui est appliquée entre deux électrodes,

un courant électrique se produit de la cathode vers l'anode qui est une cible,

ici une cible inclinée, et refroidie par un flux d'eau,

les électrons sont freinés par les atomes de la cible et

ceci provoque un rayonnement continue de freinage.

L'énergie des électrons est de l'ordre d'une dizaine de iii produit des

photons dans le domaine des rayons X.

Mais aussi

le cas d'une accélération transversales, on peut avoir du bremsstrahlung.

Dans ce cas,

on l'appelle aussi rayonnement de courbure, ou rayonnement synchrotron.

La puissance perdue P est proportionnelle au cube du facteur relativiste

de la particule, et inversement proportionnelle au rayon de courbure

du cercle sur lequel la particule se propage.

Et donc ça veut dire que plus une particule est légère et

circule dans un petit cercle, plus la puissance perdue sera grande.

Cette perte d'énergie doit être donc constamment contrebalancée

par des fréquences accélératrices pour obtenir un faisceau stable

sur une orbite à rayon constant.

On utilise le phénomène de rayonnement de freinage dans des accélérateurs

qu'on appelle synchrotron pour prédire des faisceaux des photons monoénergétiques.

qui sont utilisées pour des recherches dans les sciences des matériaux,

de la biologie, et de la chimie.

Ici on a un exemple, la Suisse Lightsource, qui se trouve à l'institut

Paul Scherrer à Villigen, qui est une source de lumière de haute brillance

basée sur un synchrotron d'électrons de 2,4 giga électron-volts.

Donc les champs électriques nécessaires pour accélérer les particules dans un

accélérateur est généré par un tube à vide amplificateur qui est illustré ici iii.

On a en entrance un faisceau d'électrons qui est accéléré,

ensuite il est mis en paquets dans une cavité résonante,

et dans une deuxième cavité résonante, l'énergie cinétique des électrons

est extraite sous forme d'une onde de radiofréquence.

Cette onde est ensuite envoyée au point d'accélération de l'accélérateur.

Dans un accélérateur circulaire, les faisceaux des particules atténuent

dans l'anneau par des aimants bipolaires dont vous voyez ici un petit schéma.

la focalisation transversale du faisceau se fait par des champs magnétiques

quadripolaires.

Mais on a quand même une faible composante quadripolaire aussi dans les aimants

bipolaires, une légère composante quadripolaire horizontale ici bx

va générer une force se focalisant verticalement.

Et si on alterne cette configuration par une même configuration tournée de 90

degrés, on aura en focalisation dans les deux directions transversales du faisceau.

Dans un accélérateur circulaire, on a des aimants avec

champs bipolaires et champs quadripolaires qui accompagnent tout l'accélérateur.

Deux bobines vont créer un champ bipolaire,

et quatre bobines vont nous créer un champ quadripolaire.

Aujourd'hui, on utilise des bobines supraconductrices

pour minimiser les pertes ohmiques.

Une focalisation s'impose aussi dans la direction longitudinale, parce que les

particules doivent arriver de façon synchrone au point d'accélération.

On les éjecte donc par courts paquets, et si elles arrivent au résonateur de

radiofréquente sur la pente croissante de champ électrique, leur phase reste stable.

Une particule qui est en léger retard par rapport à la phase idéale pour l'accélérer

verra un champ électrique plus fort que le champ moyen,

par contre une particule qui a une légère avance verra un champ moins fort.

Et ceci amène les particules à osciller autour de la phase idéale

pour les accélérer.

Une partie du tube à vide qui contient les faisceaux,

elle-même aux structures résonantes de radiofréquences

dans laquelle on a une onde électromagnétique qui se déplace.

Entre les cavités résonantes on a des espacement qui sont faits soit par

des tubes conducteurs ou tout simplement par une distance on équipée.

La longueur de ces espacement elle, doit suivre la vitesse des particules v

telle que elle doit être égale à un demi de la vitesse des particules fois

la période de radiofréquence.

Il faut aussi qu'au passage des particules le champ électrique ait valeur et

signe appropriés pour les accélérer.

Une fois que la vitesse des particules approche la vitesse de la lumière,

les espacements entre les cavités résonantes deviennent constants.

Les puissances accélérateurs d'aujourd'hui travaillent

en majorité selon les principes du synchrotron, le plus puissant est

le Large Hadron Collider du CERN qui est en opération depuis 2008.

Il fonctionne avec deux faisceaux de protons et c'est au dernier

stade d'un ensemble d'accélérateurs pour obtenir énergie et luminosité maximale.

En 2011 et 2012, l'énergie par faisceau était de 3,5 tera-électron-volts,

en 2014 on a monté cette énergie à 4 tera-électron-volt,

ensuite en début 2013 on a arrêté le complexe pour

une interruption technique, et ces jours-ci l'opération est en

train de reprendre avec une énergie de 7 tera-électron-volts par faisceau,

qui corresponds à l'énergie impressionnante de 1,12 micro-joule.

Dans la partie deux A de ce module, on vous présente une vidéo du

CERN qui montre le parcours des particules dans le complexe des accélérateurs.

Dans la prochaine vidéo, on vous amènera à visiter

différents accélérateurs et installations techniques du CERN.

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