Les accélérateurs de particules

Les accélérateurs de particules
La relation d’Einstein : E = m . c2
Elle établit l’équivalence entre la masse et l’énergie : la masse ne mesure plus la quantité de matière
d’un corps mais la quantité d’énergie. En conséquence, dans certaines conditions, la masse peut se
transformer en énergie (dans les centrales nucléaires au cours des réactions de fission de l’uranium ou
dans le soleil lors de la fusion de l’hydrogène) ou l’énergie peut se transformer en masse (dans les
accélérateurs de particules)
Comment apporter de l’énergie à une particule :
En augmentant sa vitesse, une particule gagne de l’énergie cinétique.
Pour augmenter la vitesse d’une particule, on l’accélère en utilisant un champ électrique.
Pour dévier une particule, on utilise un champ magnétique.
Exemple : le canon à électrons
Le principe du canon à électrons est d'extraire les électrons d'un matériau conducteur (qui en est une
réserve quasiment inépuisable) vers le vide où ils sont accélérés par un champ électrique. Ces électrons
peuvent être déviés par un champ magnétique.
Le cyclotron :
Un cyclotron est un accélérateur de particules de taille minime : de l'ordre de 6 m3. Il permet la
production d'isotopes radioactifs, par exemple d’oxygène 15 (15O), de carbone 11 (11C), d’azote 13 (13N),
et de fluor 18 (18F). Les isotopes sont obtenus par l'irradiation d'une cible avec les protons accélérés par
le cyclotron.
Les isotopes radioactifs instables se désintègrent plus ou moins rapidement en émettant des
rayonnements énergétiques utilisés notamment en médecine.
Dans un cyclotron, les particules placées
dans un champ magnétique suivent une
trajectoire en forme de spirale et sont
accélérées par un champ électrique
alternatif.
A chaque passage entre les « dees », sa
vitesse augmente chaque seconde de
e E
(m.s-1)
m
(e est la charge du proton , m sa masse et
E est la valeur du champ électrique entre
les dees)
Le rayon de la trajectoire des protons
dans un dee dépend de sa vitesse selon
la relation :
mv
r
e B
(B est la valeur du champ magnétique)
Le cyclotron CYRCÉ est un accélérateur de particules de 24 MeV aux caractéristiques uniques en Europe
qui permet de produire des radio-isotopes pour le diagnostic, le suivi de médicament ou le traitement
médical.
Le plus grand des accélérateurs de particule : Le LHC (Large Hadron Collider) du CERN à Genève
Les particules sont accélérées dans des
accélérateurs préliminaires comme le
SPS, puis injectées dans le LHC, où elles
atteignent plus de 99,9 pour cent de la
vitesse de la lumière. Deux faisceaux de
protons circulent en sens inverse. Ils se
croisent et entrent en collision en quatre
points, sièges des quatre expériences
principales : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb.
Chaque faisceau contient 1000 fois
moins de protons qu’un grain de
poussière, mais porte une énergie
incroyable : 360 MJ, soit l’énergie
cinétique d’un TGV de 400 tonnes lancé
à 150 km.h-1 ! L’énergie dégagée au
cours d’une collision se transforme en
particules, dont certaines pourraient
être détectées pour la première fois.
Pour la science n°62
Les enjeux du LHC :
http://www.lhc-france.fr/qu-est-ce-que-le-lhc/les-enjeux-du-lhc/
Le LHC
http://www.youtube.com/watch?v=qQNpucos9wc
http://op-webtools.web.cern.ch/opwebtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1
Les particules de matières
Tout ce qui nous entoure est constitué de particules de matière (appelées fermions) divisées en deux
familles : les quarks et les leptons.
Chaque groupe compte six particules qui se regroupent en paires ou « générations ». Les particules les
plus légères et plus stables appartiennent à la première génération, tandis que les plus lourdes et plus
instables constituent la deuxième et la troisième génération. Toute la matière stable de l’Univers est
composée de particules faisant partie de la première génération, car les autres particules se
désintègrent rapidement pour se transformer en une particule plus stable.
FERMIONS
LEPTONS
ère
1
Particules composant la
matière ordinaire
génération
Particules de durée de vie très
courte, présentent juste après
le big bang, dans les
rayonnements cosmiques ou
recréées dans les accélérateurs
2ème
génération
3ème
génération
Remarque : à chacune des ces particules
correspond une anti-particule (positon, anti
quark D…) .
Le nombre total de fermions s’élève donc à
24.
Electron
e
Masse : 0,511MeV
Muon
μ
Masse : 106MeV
Tau
Τ
Masse : 1,78GeV
Neutrino
électronique νe
Neutrino muonique
νμ
Neutrino tauique
ντ
Les leptons sont insensibles à
l’interaction forte ; ils peuvent donc
être observés isolément.
La masse des neutrinos est très faible
(ne dépasse pas quelques eV)
QUARKS
Bas (Down)
D
Masse : 5MeV
Etrange (Strange)
S
Masse : 95MeV
Beauté (Bottom)
B
Masse : 4,2GeV
Haut (Up)
U
Masse : 2 MeV
Charme (Charm)
c
Masse : 1,25GeV
Vérité (Top)
T
Masse : 171GeV
Les quarks n’ont jamais été
observés isolément ; très sensibles
à l’interaction forte, ils forment des
hadrons : protons, neutrons
(formés à partir des quarks u et d)
et d’autres particules moins
connues mésons, pions, kaons,
J/ψ…
D’après Pour la Science n°62
Les bosons, particules porteuses des interactions fondamentales
L’Univers est gouverné par quatre forces fondamentales : la force forte, la force faible, la force
électromagnétique et la force gravitationnelle. Leurs portées ainsi que leurs intensités sont différentes.
La gravité est la plus faible de ces forces mais a une portée infinie. Également à portée infinie, la force
électromagnétique est bien plus puissante que la gravitation. Les forces faible et forte quant à elles ont
une portée très limitée et n’agissent qu’au niveau des particules subatomiques. La force faible est moins
puissante que la force forte et la force électromagnétique, mais elle est encore beaucoup plus puissante
que la gravité. Enfin, comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre
interactions fondamentales.
Nous savons que trois des forces fondamentales résultent de l’échange de particules porteuses de force
qui appartiennent à une famille plus vaste appelée les « bosons ». Les particules de matière transfèrent
des quantités discrètes d’énergie en s’échangeant des bosons. Chaque force fondamentale a son boson
correspondant : la force forte est véhiculée par le gluon, la force électromagnétique par le photon,
tandis que les bosons W et Z sont responsables de la force faible. (…)
Interactions
Bosons de jauge
Électromagnétique
W±
γ
Boson W
Photon
Faible
Z0
Boson Z
Les quarks et les gluons expliqués en 1 minute
http://www.lhc-france.fr/?page=media&id_document=1179
Forte
g
Gluon