1

AccAccéélléérateursrateurs de de particulesparticules

8 Mars 2012, P. Roudeau (LAL Orsay)

Qu’accélère t’on?Comment?Pour quoi faire?

Particule: très petite partie, infime quantité d’un corps.

Distinguer de:particule élémentaire

qui est indivisible

2

MasseMasse et et éénergienergie

Masse → Énergie : centrales nucléaires, soleilÉnergie → masse : collisions avec des

accélérateurs de particulesE=mc2

eV - keV: physique atomique, chimieMeV (106 eV): physique nucléaire

GeV(109 eV), TeV: physique des particulesm(proton)~1 GeV

Dans 3 g d’hydrogèneIl y a autant d’énergie

que celle fourniepar 1 réacteur nucléaire

en 1 journée« fabriquer » de la matière

demande beaucoup d’énergie

1g de protons~6 1023 protons

3

ParticulesParticules accaccéélléérrééeses

-protons (et anti-protons)-noyaux d’atomes (ions)-électrons (et positrons)

particulesstables et chargées

taille d’un atome ~ 10-10 mtaille d’un noyau ~ 100 000 fois moins99,9% de la masse est dans le noyau

un atomec’est beaucoup de vide

4

SourceSource dd’é’électronslectrons

-filament chauffé

-et systèmes plus élaborés

laser

électrons

5

EffetEffet dd’’unun champchamp éélectriquelectrique

+

Ev F accélérée

+

EvF ralentie

les particulesgagnent de l’énergie

>10 MeV/m

1GeV ~ 100 m 1TeV ~ 100 km

6

EffetEffet dd’’unun champchamp éélectriquelectrique

Avoir le bontiming

7

AccAccéélléérateur linrateur linééaireaire

Les protons sontdans des paquets

8

AccAccéélléérateur linrateur linééaireaire

-SLAC (USA), leplus long au monde(> 3km)

-projets >10km

Les très haute énergiesdemandent de très grandes

longueurs

9

EffetEffet dd’’unun champchamp magnmagnéétiquetique

v F Les particules décriventdes cercles.

Leur énergie reste constante

F = q v ∧ B

10

AccAccéélléérateurrateur circulairecirculaire

Énergies plus grandespour une même taille

11

AccAccéélléérateurrateur circulairecirculaire

Le LHC dans un anneau de 27 km de circonférence

12

AccAccéélléérateurrateur circulairecirculaire

-Aimants du LHCLa supraconductivité permet de créerdes champs magnétiques très intenses.Il faut les refroidir à -271 K.

13

CollisionneurCollisionneur circulairecirculaire

X

X

M(X)<E/2

14

ComprendreComprendre ll’’infinimentinfiniment petitpetit

Le proton contient 3 quarksliés par des gluons

Ud

12 constituants élémentairesliés par 3 forces

transmises par 12 particules

1960-1970

2012

15

ComprendreComprendre ll’’infinimentinfiniment grandgrand

Les c

ollisi

ons à

haute

énerg

ie

recrée

nt de

s con

dition

s

proch

es du

Big-Ban

g

16

ComprendreComprendre ““comment comment ççaa marchemarche””

Beaucoup de questionssont encore sans réponse

-pourquoi Qe=-Qp?-pourquoi 3 familles?-où est passée l’antimatière?-d’où vient la masse ?-de nouvelles particules doiventapparaître si E>1000 Gev.-qu’est-ce que la matière noire?…… etc

LHC

17

ExpExpéériencerience ATLAS au LHCATLAS au LHC

18

QuelquesQuelques utilisationsutilisations des des accaccéélléérateursrateurs- sources de lumière- fabrication de substances radioactives- incinération de déchets nucléaires ultimes- traitements médicaux- métallurgie- musées- …

19

SourcesSources de de lumilumièèrereToute charge accélérée rayonne

Le synchrotron SOLEIL (Saclay)

20

ExemplesExemples dd’é’étudestudes faites faites àà SOLEILSOLEIL

- étude de la structure de la matière à l’échelle de l’atome ou de la molécule- étude de la structure de molécules complexes en 3D (médicaments)- détection de traces de polluants dans le sol, l’eau, …- mise au point de nouveaux matériaux ou de nouvelles structures de surface- étude de réactions chimiques complexes (cosmétiques, …)- analyse d’objets anciens (métaux, cosmétiques, œuvres d’art, …)

21

SourcesSources de de lumilumièèrereCLIO (Centre Laser Infrarouge d’Orsay)

ThomXSource intense de rayons X produitspar collision entre des électrons et desphotons d’un laser.

Sources intenses,pulsées

22

AutresAutres applicationsapplications

Production d’isotopes médicaux(cyclotron Arronax de Nantes)

Transmutation de déchetsnucléaires

23

AutresAutres applicationsapplications

Soudures avec desfaisceaux d’électrons

L’énergie des électrons sert àchauffer et à fondre le métal.

24

ProtonthProtonthéérapierapie (Orsay (Orsay depuisdepuis 1991)1991)

5000 patients traités pour des cancers difficiles d’accès. Rénové en 2010.

25

Dans un Dans un musmusééee (1987(1987--……))

Aglaé (Accélérateur Grand Louvred’Analyse Élémentaire)

Faisceaux de protons et deutons de 4 MeV, d’Hélium de 6 MeV.