Quand il s'agit de construire des accélérateurs de particules, le credo a toujours été «plus gros, plus mauvais, meilleur». Si le grand collisionneur de hadrons (LHC), avec sa circonférence de 27 km et son budget de 7,5 milliards d’euros, reste l’instrument scientifique le plus grand et le plus cher jamais construit, son programme de physique touche lentement à sa fin. En 2027, il recevra la dernière mise à niveau majeure, baptisée le LHC à haute luminosité, qui devrait terminer ses opérations en 2038. Cela peut sembler long mais la communauté scientifique réfléchit déjà à ce qui va suivre.
Récemment, le CERN a publié une mise à jour de la future stratégie européenne pour la physique des particules qui comprend l'étude de faisabilité pour un futur collisionneur circulaire (FCC) de 100 km de large. Prenons une courte pause et revenons sur l’histoire des «briseurs d’atomes» et les progrès scientifiques qu’ils ont apportés.

Une machine pour diviser l'atome

Accélérateur de protons utilisé par Walton & Cockroft pour diviser l'atome. Walton est assis dans la petite cabine d'observation et observe les particules alpha produites sur un écran fluorescent.
Crédit: cambridgephysics.org

La principale motivation pour construire des accélérateurs est née au début du XXe siècle quand Ernest Rutherford a découvert en 1919 qu'il pouvait diviser les atomes d'azote en les bombardant avec des particules alpha provenant de sources radioactives naturelles. Pour poursuivre ses recherches, il a exigé une source d'énergie et de «projectiles atomiques» de plus haute intensité que ceux fournis par les sources radioactives naturelles. Encouragés par Rutherford, en 1932, Cockcroft et Walton ont utilisé un générateur de 400 kV pour accélérer les protons et les tirer sur une cible au lithium, ce qui a entraîné la première division de l'atome entièrement contrôlée par l'homme.

L'accélération des particules utilisant des tensions continues comme celle du générateur Cockroft-Walton et plus tard du générateur Van de Graaff était limitée par la tension maximale que la machine pouvait fournir. Pour surmonter cette limitation, le physicien suédois Ising a proposé le principe de l'accélération résonnante où la même tension est appliquée à plusieurs reprises à travers une série de tubes à dérive reliés à un générateur RF. Cela a été considéré comme la véritable naissance des accélérateurs de particules et en fait, la génération actuelle de collisionneurs linéaires repose toujours sur le même principe. Rolf Winderöe a été le premier à construire un tel accélérateur en 1928 en Allemagne pour produire des ions potassium de 50 keV.

De linéaire à circulaire

Principe de fonctionnement du cyclotron.
Crédit: P.J. Bryant

Un inconvénient de l'accélérateur linéaire (linac) est que la longueur des tubes de dérive doit être augmentée à mesure que la vitesse augmente, ce qui rend la machine assez grande et difficile à construire pour des énergies élevées.

En 1929, Ernest Lawrence a mis au point le cyclotron beaucoup plus compact, qui accélère les particules le long d'un chemin en spirale guidé par un champ magnétique. Avec son élève M. Stanley Livingston, Lawrence a construit le premier cyclotron qui n'avait que 4 pouces de diamètre mais pouvait accélérer les protons jusqu'à 1,25 MeV. Le cyclotron a finalement permis de produire des particules avec des énergies beaucoup plus élevées que celles des sources radioactives et il est resté le type d'accélérateur le plus puissant jusqu'à ce qu'une autre technologie apparaisse dans les années 1950.

Garder les particules synchronisées

Lorsque les particules commencent à s'approcher de la vitesse de la lumière, elles ralentissent en raison d'effets relativistes et d'une synchronisation lâche avec le champ électrique RF du cyclotron. Cela a été compensé en faisant varier la fréquence RF et la machine et a été surnommé le synchrocyclotron. Plus tard également, le champ magnétique de guidage a augmenté à mesure que la vitesse des particules augmente, de sorte que les particules se déplacent sur une orbite constante. Ce fut la naissance du synchrotron.

La dernière avancée a été réalisée en passant des accélérateurs à cible fixe aux collisionneurs à anneaux de stockage. Étant donné que l'énergie disponible pour la production de nouvelles particules est donnée dans le cadre du centre de masse de la collision, il est beaucoup plus efficace de heurter les particules de front au lieu de tirer un faisceau sur une cible fixe.

Une pléthore de nouvelles particules

Un «diagramme de Livingston» montrant l'évolution de l'énergie des accélérateurs au fil des ans.
Crédit: R. Ruth

Alors qu'avant les années 1950, de nouvelles particules étaient principalement découvertes par les rayons cosmiques, de puissants accélérateurs comme le synchrotron annonçaient une «ère d'or» de la physique des particules. Ces nouvelles machines ont conduit à la découverte de nombreuses particules subatomiques répertoriées dans le tableau ci-dessous.

Étudier la structure de l'atome à des échelles plus petites et être capable de produire des particules avec des masses plus élevées est ce qui a conduit le développement d'accélérateurs aux énergies toujours plus élevées. Dans un synchrotron, atteindre des énergies plus élevées nécessite soit un rayon plus grand, soit des champs magnétiques plus puissants. C'est donc l'utilisation d'aimants supraconducteurs mais aussi la possibilité de construire des collisionneurs sous terre, en contrebas d'une propriété qui n'appartient pas au laboratoire exploitant la machine, qui a permis la construction de collisionneurs géants comme le LHC.

AnParticuleNom de l'accélérateurType d'accélérateurEmplacement
1955antiprotonBevatronsynchrotron à protonsLBNL, États-Unis
1962neutrino muoniqueAGSsynchrotron à protonsBNL, États-Unis
1974Méson J / ψSLACélectron linacFermilab, États-Unis
1975lepton tauSLACélectron linacFermilab, États-Unis
1979gluonDORISsynchrotron électroniqueDESY, Allemagne
1983Bosons W, ZSPSsynchrotron à protonsCERN, Suisse
1995quark topTévatronsynchrotron à protonsFermilab, États-Unis
2000neutrino tauTévatronsynchrotron à protonsFermilab, États-Unis
2012le boson de HiggsLHCsynchrotron à protonsCERN, Suisse

Et après?

Actuellement, la physique des particules est un peu en crise parce que la dernière pièce manquante du modèle standard, le boson de Higgs, a été découverte par le LHC, mais il n'y a pas encore de preuves d'une nouvelle physique comme la supersymétrie. Bien que nous sachions que le modèle standard ne peut pas expliquer la matière noire et l'énergie noire, il est peu probable qu'un nouveau collisionneur géant tel que le FCC fournisse des réponses, c'est pourquoi certaines personnes s'y opposent fermement. Il n'y a aucune raison pour que la nature soit gentille, il se peut donc que la masse de nouvelles particules se situe bien au-delà de ce qui est technologiquement réalisable.

E.O. Lawrence et son accélérateur de 27 ″. Crédit: Lawrence Berkeley Nat’l Lab

Il se peut aussi que la nouvelle physique se cache quelque part dans le régime de basse énergie qui exigerait des expériences entièrement différentes. Néanmoins, certains développements technologiques peuvent réduire considérablement le prix d'un nouveau supercollider, le rendant ainsi plus attractif. L'une serait la découverte de supraconducteurs à température ambiante, l'autre l'accélération de Wakefield qui pourrait finalement conduire à des accélérateurs beaucoup plus compacts pouvant même tenir sur une table (encore une fois). Espérons donc que repousser la frontière énergétique continuera de nous apporter des réponses aux questions les plus fondamentales de la nature.

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