Qu'est-ce qu'un accélérateur de particules ? - Sfen

Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ?

Publié le 18 septembre 2024
Vos questions

Les accélérateurs de particules font partie de la panoplie des outils mis à disposition des scientifiques pour étudier la matière. Son utilisation se retrouve dans plusieurs domaines allant de la recherche fondamentale, à la production de radio-isotopes pour la médecine, en passant par des applications industrielles telles que la caractérisation de matériaux. 

Les secrets de l’Univers se cachent bien souvent au plus profond de la matière. C’est une quête difficile à laquelle s’attaquent les chercheurs grâce à de nombreux outils, non seulement pour observer plus ou moins précisément des objets (grâce aux microscopes), mais encore pour étudier la structure atomique d’un matériau (grâce à la diffraction), ou bien pour obtenir des analyses variées qu’on ne peut voir à l’œil nu (grâce à la spectroscopie), etc. Depuis son invention dans les années 1920, l’accélérateur de particules a conduit à des avancées majeures dans ce domaine de recherche. Son utilité : explorer la matière en obtenant, d’une certaine façon, une cartographie extrêmement précise d’un objet. Par ailleurs, il peut être aussi utilisé pour former de nouvelles particules. Aujourd’hui, on en compte environ 30 000 dans le monde principalement pour la recherche, mais aussi pour des applications industrielles ou pour la médecine.

Fonctionnement d’un accélérateur de particules

L’objectif de l’accélérateur de particules est d’accélérer de très petites particules chargées électriquement (comme les protons, les électrons, les ions, etc.) pour qu’elles atteignent des vitesses extrêmement élevées, proches de celles de la lumière. Une source produit d’abord des particules chargées, puis un champ électrique donne l’impulsion pour les accélérer. Celles-ci se déplacent ensuite dans de grands tubes métalliques sous vide et sont dirigées grâce à un champ magnétique. Une fois qu’elles ont suffisamment gagné en énergie, ces particules entrent en collision avec une autre particule ou une cible. Des détecteurs à particules, placés autour de l’accélérateur, permettent finalement d’enregistrer la collision, puis celle-ci est analysée pour obtenir les données recherchées.

Des types différents pour des applications variées

D’un point de vue structurel, un accélérateur de particules peut prendre deux formes. Une première, dite linéaire ou rectiligne, où les particules traversent une seule fois l’accélérateur. Une seconde, circulaire, où les particules parcourent plusieurs fois l’accélérateur. Dans cette configuration, les particules peuvent gagner davantage en énergie grâce aux multiples passages des particules, de même la probabilité de leur collision est augmentée. La configuration linéaire est, elle, moins coûteuse et ne subit pas de perte d’énergie (les rayonnements) due à la forme circulaire. Dans les deux cas, leur taille est assez variable, allant de quelques mètres pour une utilisation en laboratoire à plusieurs dizaines de kilomètres de long pour les plus grandes infrastructures, telles que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) qui mesure plus de 27 kilomètres de circonférence. Il existe cependant plusieurs types d’accélérateur suivant l’utilisation qui leur est donnée.

  • Les collisionneurs sont circulaires ou linéaires. Ils servent à mieux comprendre la nature et la structure des particules, grâce à leur collision au sein de l’accélérateur, et permettent parfois d’en découvrir de nouvelles (comme le boson de Higgs par exemple).
  • Les cyclotrons, de forme circulaire, sont surtout consacrés au secteur médical. Ils produisent des radio-isotopes médicaux, qui serviront par la suite à l’imagerie médicale pour diagnostiquer et traiter les cancers.
  • Aujourd’hui, les plus connus et les plus grands sont les synchrotrons. À l’origine, ils correspondent à une amélioration des cyclotrons, en permettant un meilleur ajustement de la trajectoire des particules. Ils sont de forme circulaire et sont exploités en science fondamentale, en physique nucléaire et atomique notamment, ou pour la recherche en biologie, en chimie, en archéologie, etc. Les synchrotrons sont principalement utilisés pour produire ce qu’on appelle le rayonnement synchrotron. Celui-ci correspond à une lumière qui va servir de microscope, en quelque sorte, pour obtenir des images extrêmement précises des objets.
  • Les linacs sont des accélérateurs linéaires. Ils sont majoritairement employés pour le domaine médical, notamment pour des radiothérapie antitumorales. Ils permettent de modeler les rayons X ou les électrons pour qu’ils soient parfaitement adaptés à l’élimination de tumeurs.
  • Les accélérateurs électrostatiques servent à l’étude des propriétés de matériaux ou encore dans la recherche biologique.
  • Les accélérateurs de faisceaux d’électrons ont une utilité similaire aux électrostatiques, mais vont eux agir sur la matière. Ils peuvent, entre autres, stériliser et décontaminer des produits médicaux et des aliments ou améliorer la durabilité et la résistance des matériaux aux températures extrêmes et aux produits chimiques.
  • Dans l’industrie, les implanteurs ioniques sont largement utilisés. Comme leur nom l’indique, ils génèrent des ions, qu’ils vont par la suite accélérer, pour les implanter in fine dans des objets. Cela aura pour utilité d’améliorer la conductivité des semi-conducteurs par exemple.

Enfin, il existe de nouveaux types d’accélérateurs de particules en construction ou encore au stade de recherche. C’est par exemple le cas des accélérateurs à plasma laser. Grâce au plasma, les particules pourraient être accélérées à des vitesses encore plus élevées, permettant ainsi d’obtenir des données encore inconnues jusqu’ici sur des matériaux. Minerva (de type linac) est un autre accélérateur de particules innovant puisque ce sera le premier à être connecté à un réacteur nucléaire de recherche (Myrrha en Belgique). En plus de participer au fonctionnement du réacteur puisqu’il contrôle, d’une part, son démarrage et son arrêt et fournit, d’autre part, les neutrons nécessaires à la réaction de fission [1], il sera aussi utilisé pour la production de radio-isotopes thérapeutiques de nouvelle génération. ■

Par François Terminet (Sfen)

Image : Accélérateur de particules, Source : AFP-Valentin-Flauraud

[1] L’accélérateur de particules Minerva accélère des protons et les envoie sur des noyaux atomiques lourds de plomb-bismuth. Les protons provoquent la séparation des neutrons des atomes de plomb et de bismuth, qui provoquent à leur tour la fission du combustible dans le réacteur Myrrha.

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