ACCELERATEURS DE PARTICULES

1. ACCELERATEURS DE PARTICULES Chafik Benchouk Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediène, Bab Ezzouar, Alger Laboratoire Sciences Nucléaires et Interaction Rayonnement-Matière

2. Expérimentation en physique des particules • Expérience typique : - mesure d'une section efficace - mesure d'un taux de désintégration, d'un rapport d'embranchement - mesure d'une distribution en énergie, en impulsion, en angle, … • observer une réaction (collision ou une désintégration) • "Observer" : - compter l'occurrence d'un type donné d'événements - mesurer les quadrivecteurs (E, p) d'une partie ou de toutes les particules produites dans une interaction (désintégration ou collision) - identifier éventuellement la nature de ces particules • détecteurs de particules • "Préparation" de la collision ou de la désintégration : • accélérateurs de particules Accélérateurs

3. Préparation des réactions • Préparation d'un faisceau de particules de type et d'énergie donnés pour : - observer leur désintégration ou, le plus souvent, pour : - les faire interagir avec une cible (de nature identique ou différente) - les faire interagir avec les particules d'un autre faisceau (de nature et d'énergie identiques ou différentes) • Particules accélérées : - en général : e- , p (et e+ , ) - et ions • Particules chargées Accélérateurs

4. Catégories de faisceaux • Faisceaux primaires : - les particules accélérées sont directement utilisés. Envoyés vers les zones d'expériences (cibles) • Faisceaux secondaires (et tertiaires) : - on envoie les faisceaux primaires (surtout p) sur une cible (p) puis on sélectionne la nature et l'énergie (aimants, diaphragmes) d'une particule produite dans l'interaction (ex : p, K) pour avoir un faisceau secondaire. - on peut fabriquer des faisceaux tertiaires par désintégration, par exemple (m, n) • Collisionneurs : - on fait circuler des faisceaux dans le même anneau circulaire (e- et e+ ; p et ) ou dans des anneaux séparés (e- - p ; p-p) et produire des collisions frontales. • Note : il existe également des collisionneurs linéaires Accélérateurs

5. Réalisation technique : deux familles d' accélérateurs • Accélérateurs linéaires : - accélérateurs électrostatiques à tension continue - accélérateurs linéaires à tension alternative (*) • Accélérateurs circulaires : - cyclotrons - synchrotrons (**) • seuls (*) et (**) actuellement utilisés en physique des hautes énergies Accélérateurs

6. Paramètres déterminants • Nature des particules "préparées" : par exemple, - protons plus faciles à accélérer mais pas "élémentaires" - électrons élémentaires mais rayonnent, … • Energie des faisceaux : - pour une énergie dans le centre-de-masse de plus en plus grande (production de particules lourdes, test des théories d'unification à haute énergie, …) - de manière équivalente, pour une exploration de distance de plus en plus petite (l ~ h/p) • Luminosité : - pour un taux d'événements important (ou "suffisant", pour les processus rares) • grande luminosité = grande intensité, et/ou petite taille des faisceau, et/ou grand nombre de paquets de particules Accélérateurs

7. Haute énergie • 1 – application d’unepropriété quantique : taille des objets à sonder : énergie de la particule sonde (relation de De Broglie : l = h/p =hc/E) • 2 – application d’unepropriété relativiste : production de particules lourdes par conversion de l’énergie cinétique des faisceaux de particules (relation d’Einstein E=mc2) cas particulier : collisionneurs (conversion de toute l’énergie cinétique) Accélérateurs

8. Accélérateurs

9. 9 Accélérateurs

10. Mécanismes de base de l'accélération • Particule chargée : • champ électrique : accélération • champ magnétique : guidage • Accélération : action d'un champ électrique - rappel 1 : une particule de charge q soumise à une ddp DV reçoit l'énergie DE = q DV - rappel 2 : définition des unités d'énergie DV = 1 V ; q= 1.6 10-19C (électron, proton) • DE = 1.6 10-19 J = 1 eV (électron-volt) Accélérateurs

11. Mécanismes de base du guidage (accélérateurs circulaires) • Action d'un champ magnétique : • force perp. au déplacement ; pas d'accélération de la particule : guidage de la particule sur une trajectoire circulaire • Rayon de courbure en mécanique non-relativiste : - équation du mvt : (m v2)/R = q v B (en prenant v perp à B) gR = (mv)/(q B) c-à-d R = p/(q B) • rayon de courbure : R ~ B-1 • période de rotation : T ~ (2pR)/v gT = (2pm)/(q B) • Fréquence de rotation ("fréquence cyclotron") : w = 2p/T gw = (qB)/m = wc Accélérateurs

12. Mécanismes de base du guidage (2) • Traitement relativiste : • rayon de l'orbite : R = p/(q B) = (mgbc)/(qB) • "fréquence" de rotation : w = (qB)/(mg)= wc / g = wc (1-b2)1/2 (w décroît avec la vitesse des particules) Accélérateurs

13. Rigidité magnétique • Rigidité magnétique BR : BR = p/q - B : intensité du champ magnétique - R : rayon de l'orbite - p : impulsion de la particule - q : charge de la particule • Noter : pour un même R,B~p : champ magnétique à appliquer pour garder la particule (de plus en plus) accélérée sur le rayon (constant) du synchrotron • Formule pratique : - B en tesla - R en mètre - p en GeV/c - q= 1.6 10-19C g BR = p/0.3 Accélérateurs

14. Titre Accélérateurs

15. Titre Accélérateurs

16. Taille des accélérateurs linéaires La distance totale d'accélération (pour atteindre une énergie donnée) dépend du gradient de champ électrique qu'on peut produire • Limite actuelle : • env. 20 MV/m - faisceau de 50 GeV : 2.5 km (ex : SLC à SLAC, Californie, collisionneur linéaire e+e- , années 90) • Projets de futurs collisionneurs linéaires (post-LHC) : • atteindre 500 GeV à 1 TeV dans le centre-de-masse : c-a-d faisceaux de 250 à 500 GeV • garder longueur "raisonnable" : env. 5 km • il faut atteindre des champs accélérateurs de 50 à 100 MV/m Accélérateurs

17. SLAC (Stanford Linear Accelerator) Accélérateurs

18. Taille des synchrotrons (à protons) La taille des synchrotrons (à protons) est déterminée par la valeur maximale des champs magnétiques qu'on peut créer (pour maintenir le faisceau sur une trajectoire circulaire) • Champ magnétique d'aimants conventionnels : • 1.5 Tesla au maximum • Super-Synchrotron à protons (SPS) du CERN : - construit avec des aimants conventionnels (B = 1.5) - protons accélérés jusqu'à 450 GeV R = p/(0.3 B) g R = 1 km - rayon exact R=1.1 km (circonf. = 7 km) (la formule ne tient pas compte de la présence de sections droites sans champ magnétique) Accélérateurs

19. Taille des synchrotrons (à protons) • Collisionneur LHC : - collisionneur proton-proton dans le tunnel du LEP (ancien collisionneur e+e- du CERN) • tunnel LEP : R= 4.3 km (circonférence 27 km) • On veut : ECM= 14 TeV (7 TeV par faisceau) gchamp magnétique nécessaire : B = (7 103)/(0.3 x 4.3 103) gB = 5.4 T • Une telle valeur de B peut être produite dans des aimants supraconducteurs (voir table : B=8 T) • Projet SSC (Texas, abandonné en 1995 ; "Super Supraconductor Collider"): • on voulait 20 TeV par faisceau (collisionneur proton-proton, concurrent du LHC) • Aimants avec B = 5 T gR= 13 kmgcirconférence : 83 km ("Desertron") Accélérateurs

20. Accélérateurs

21. Le complexe d'accélérateurs du CERN Accélérateurs

22. Synchrotrons à électrons • Collisionneur LEP ("Large Electron Positron ring") : - collisionneur e+e-du CERN (de 1989 à 2000) • Jusqu'à 100 GeV par faisceau (2ème phase) • B = 1.5 T (aimants conventionnels) - application de la formule de rigidité magnétique : gR = 100/(0.3 x 1.5) = 220 m - en réalité : R = 4.3 km ; avec B = 0.13 T (note : présence de sections droites) Pourquoi un rayon si grand ? Taille des synchrotrons à électrons : compromis entre le coût du rayonnement synchrotron (en énergie électrique) et le coût des installations (pour un rayon grand) Accélérateurs

23. Rayonnement synchrotron • Rayonnement synchrotron : - rayonnement émis par une particule chargée accélérée (ici : accélération centripète) dans un champ magnétique • Puissance rayonnée : dW/dt = (1/4pe0) (2c/3)(q2b4g4)(1/R2) - R : rayon de l'orbite - b,g : facteurs relativistes • Particules relativistes : b~ 1 ; g=E/mc2 dW/dt ~ m-4 R-2 • dW/dt important si R et/ou m faible(s) • m faible : électron Accélérateurs

24. Rayonnement synchrotron • Energie rayonnée par tour (orbite circulaire) : Wtour = Tr dW/dt Tr : temps de révolution ; Tr = (2pR)/v = (2pR)/bc g Wtour = (1/4pe0) (4p/3)(q2 b3 g4)(1/R) • Formule pratique : pour des électrons relativistes (b= 1), tenant compte de g=E/mc2 : Wtour(MeV)= 0.09 E4(GeV4)/ R(m) • Exemple : - LEP-phase 1: 45 GeV par faisceau (physique du Z ; 1989-1995) (rappel : R=4.3 km) Wtour = 86 MeV - LEP-phase 2: 90 GeV par faisceau (physique du W, recherche du boson de Higgs ; 1995-2000) Wtour = 86 x 24 MeV = 1.4 GeV Accélérateurs

25. 25 Accélérateurs

26. FIN Accélérateurs