[MUSIQUE] [MUSIQUE] Bonjour et bienvenue pour ce troisième module de notre cours d'introduction à la physique des particules. Pour faire ce type de physique, il nous faut des accélérateurs, et des détecteurs de particules. Alors dans ce module on va vous introduire à la technologie qui se cache derrière ces deux instruments. Dans cette première vidéo on va passer en revue les principes d'accélération des particules. Vous allez apprendre quels sont les principes d'accélération des particules, par des champs électromagnétiques, comment fonctionne un accélératuer électro-statique, et comment fonctionnent les synchrotrons et les cyclotrons. Le principe de physique qui se cache derrière l'accélération et la focalisation des particules, est la force de Lorentz, que voici. Vous voyez deux composantes, une composante proportionnelle au champ électrique, et une autre, au champ magnétique. Le champ électrique sert à accélérer les particules en augmentant l'impulsion des particules, parce qu'il agit dans la direction du mouvement. Le champ magnétique, par contre, agit orthogonal à la direction du mouvement, alors, la force magnétique dévie les particules, soit pour les stocker, soit pour les focaliser. Un simple accélérateur pour électrons se cachait dans votre vieil appareil de télévision, qui avait un tube cathodique, pour vous montrer les images. Il fonctionne comme c'est montré dans ce schéma. Il y a un filament qui est chauffé et qui émet des électrons, qui sont ensuite accélérés par un champ électrique vers l'anode. Là , elle cause un point lumineux sur votre écran, ou bien ils peuvent sortir à travers l'anode ou à travers un trou dans l'anode. Leur énergie sera proportionnelle au voltage d'accélération, elle sera donc, tout simplement donnée par le produit entre la charge et le voltage. Alors si vous accélérez par un champ de 100 volts, vous obtenez un potentiel de 100 volts, vous obtenez des particules d'une énergie de 100 électrons-volts. Les accélérateurs électrostatiques enchaînent de tels types d'accélérateurs en étages, ils sont donc limités par la stabilité d'une isolation de haute tension, et donc leur énergie ne dépasse pas quelques méga-électrons-volts. Pour arriver à plus haute énergie, il faut que les particules passent plusieurs fois par un potentiel accélérant, et ceci est implémenté dans les accélérateurs circulaires. Voici le principe du cyclotron, qui est l'accélérateur de ce type le plus simple. Il contient un champ magnétique, qui pointe vers le haut, et deux électrodes en forme de dé, qui causent le potentiel accélérant entre les deux. Alors vous injectez, ou vous mettez des particules au milieu de ce dispositif, et le champ électrique va les accélérer en passant entre les deux électrodes, et le champ magnétique va les diriger sur un demi-cercle à l'intérieur de ces électrodes. La fréquence angulaire de ce mouvement s'appelle la fréquence cyclotronique oméga. Elle est proportionnelle au rapport, e sur m, de la charge et de la masse des particules, et proportionnelle à l'intensité du champ magnétique. Comme j'ai dit, la particule est accélérée par le champ électrique présent dans l'espace entre les deux cavités. Ce champ est établi par un générateur de radio-fréquence, tel que sa fréquence, oméga, égale la fréquence cyclotronique. Dans le domaine non relativiste, la longueur du parcours augmente autant que la vitesse de la particule. On peut donc injecter les particules d'une manière quasi continue, si la fréquence accélératrice est haute, et si c'est un multiple pair de la fréquence cyclotronique. Si le calcul de la fréquence cyclotronique vous intéresse, vous trouverez un petit calcul dans la vidéo, 3.1 a. Ce type d'accélérateur, trouve sa limite par le fait que la vitesse de la particule ne reste pas proportionnelle à l'impulsion, mais tend vers la vitesse de la lumière, qui est, qui cause un processus de saturation à travers la relativité restreinte. Comme la vitesse n'augmente plus guère, malgré le fait que l'énergie augmente, la radiofréquence d'accélération, et la rotation de la particule se déphasent très vite, à une énergie de quelques dizaines de méga-éléctrons-volts pour des protons. Il faut donc régler la radio-fréquence en fonction de la vitesse relativiste ; le cyclotron à protons que vous voyez dans cette image, est installé, au Paul Scherrer Institut, PSI, à Villigen. Il accélère des protons jusqu'à à peu près 80 % de la vitesse de la lumière. La saturation asymptotique de la vitesse vers celle de la lumière est par contre très utile pourvu que le rayon de courbure est tenu constant. Dans ce cas, la fréquence de rotation devient à nouveau indépendante de l'énergie. Ceci est le principe du synchrotron. En augmentant le champ magnétique proportionnellement à l'impulsion de la particule, le rayon de courbure reste constant, on évite alors d'une part, d'avoir à remplir tout un espace avec le champ magnétique, et on peut le concentrer autour d'une chambre à vide dont la forme s'approche d'un anneau. Dans cette image, vous voyez un simple cyclotron, qui a juste quatre aimants dans les quatre coins, qui dévient les particules sur une trajectoire fermée, d'autre part, la fréquence cyclotronique devient constante à haute énergie si le champ B est maintenu proportionnel à l'impulsion. On peut alors travailler avec une radio-fréquence accélératrice constante qui est rendue, et transmise au faisceau, par des cavités résonnantes que vous voyez en bleu, en haut et en bas. Comme ce principe de synchrotron réclame une certaine vitesse initiale, qui s'approche déjà suffisamment de la vitesse de la lumière, on injecte un faisceau de particules préaccélérées, d'habitude par un accélérateur linéaire. Le processus d'accélération doit s'arrêter quand on arrive au champ limite des aimants dipolaires. On extrait alors le faisceau, ou on convertit l'accélérateur, en anneau de stockage, comme cet exemple historique qui est l'anneau de stockage de Princeton-Standford. Dans ce mode d'opération on fournit à chaque tour, juste l'énergie perdue par le faisceau en rayonnement de freinage. Cette perte d'énergie sera introduite dans la prochaine partie, trois, point deux, du module. La séparation des fonctions et la concentration des composants autour d'un anneau permet de combiner alors deux anneaux pour arriver à un collisionneur. Un exemple historique est montré dans cette image, il s'agit de l'anneau de stockage de Princeton-Standford, un des premiers exemples de collisionneur de particules. Il fonctionnait avec des électrons, dans les deux anneaux, qui interagissaient au mieux, où les deux anneaux de stockage se touchaient. Vous voyez là un petit cartoon de la trajectoire des particules qui se rencontrent en contresens au milieu de l'appareil. Le détecteur était plutôt primitif, c'était une chambre à étincelles, mais servait à déterminer uniquement l'angle de diffusion pour cette interaction entre deux électrons, que l'on appelle la diffusion de Möler. Alors à cette époque-là , les accélérateurs prenaient encore place dans les sous-sols des instituts de physique, ce qui n'est plus le cas. Là vous voyez un autre exemple d'un accélérateur contemporain qui est celui du Fermi National Laboratory, près de Chicago, aux États-Unis. Il est évident que l'on peut aussi replier les deux accélérateurs l'un sur l'autre, voire même les réunir si on veut faire collisionner particules et antiparticules comme dans le Tevatron qui est montré au milieu de cette photo-là . Alors des exemples pour ce type de collisionneur entre particules et antiparticules dans le même tube à vide, dans le même champ magnétique, sont, Tevatron du Fermi National Laboratory, qui collisionnait protons et anti-protons, et le Large Electron Positron Colliner Proliner du Cern, qui collisionnait électrons et positrons dans les années 90. Ce dernier collisionneur était en opération entre 1989 et 2000, dans le tunel qui abrite aujourd'hui le Large Haldron Collider, LHC, du Cern. On reviendra sur le LHC dans la prochaine partie de ce module, et dans cette prochaine partie, on va vous introduire, un peu plus en détails, dans les technologies d'accélération utilisées aujourd'hui. [MUSIQUE] [MUSIQUE]
