Un accélérateur de particules est un appareil de physique qui utilise des champs électriques pour accélérer des particules chargées à des vitesses immenses, parfois des fractions significatives de la vitesse de la lumière. Les particules courantes que l’on peut trouver dans les accélérateurs de particules comprennent les protons et les électrons, les éléments constitutifs de l’atome.
Un accélérateur de particules est utilisé pour observer le comportement de petites particules à des vitesses et des énergies élevées, ainsi qu’à des fins plus quotidiennes telles que la génération d’un type spécifique de rayonnement électromagnétique. Les accélérateurs de particules sont souvent utilisés pour écraser les particules les unes contre les autres à très grande vitesse, révélant ainsi leurs composants les plus fondamentaux. Le générateur de rayons X et le téléviseur sont tous deux des exemples courants d’accélérateurs de particules, avec la même conception de base que leurs grands cousins utilisés dans les expériences de physique des hautes énergies. Un accélérateur de particules appartient à l’une des deux catégories suivantes : circulaire ou linéaire.
Dans un accélérateur de particules circulaire, les particules sont accélérées selon une trajectoire circulaire continue. L’avantage de cette disposition est que la particule peut être dirigée en cercle plusieurs fois, ce qui permet d’économiser du matériel. L’inconvénient est que les particules dans les accélérateurs circulaires émettent un rayonnement électromagnétique, appelé rayonnement synchrotron. Parce que leur élan les encourage constamment à voler sur une trajectoire tangentielle au cercle, de l’énergie doit être continuellement dépensée pour les maintenir sur la trajectoire circulaire, ce qui signifie que les accélérateurs de particules circulaires sont moins efficaces. Dans les grands accélérateurs, le rayonnement synchrotron est si intense que l’ensemble de l’accélérateur doit être enterré sous terre pour maintenir les normes de sécurité. L’accélérateur de particules Fermilab dans l’Illinois a une trajectoire circulaire de 4 miles (6.43 km).
Les accélérateurs linéaires tirent des particules en ligne droite sur une cible fixe. Le tube cathodique de votre téléviseur est un accélérateur de particules à faible énergie, qui tire des photons dans la plage de lumière visible sur une plaque de verre, l’écran. Le flux de photons est constamment redirigé pour remplir l’écran de pixels. Cette redirection se produit suffisamment rapidement pour que nous percevions le flux alternatif de photons comme une image continue.
Les accélérateurs linéaires à haute énergie, ou linacs, sont utilisés dans les applications physiques. Une série de plaques attire et repousse alternativement les particules chargées qui les traversent, tirant les particules vers l’avant lorsqu’elles ne l’ont pas encore dépassée et les repoussant après l’avoir franchie. De cette manière, des champs électriques alternatifs peuvent être utilisés pour accélérer des flux de particules à des vitesses et des énergies très élevées. Les physiciens utilisent ces accélérateurs pour simuler des conditions exotiques, telles que celles au centre des étoiles ou près du début de l’univers. Le zoo de particules décrit par le modèle standard de la physique des particules a été découvert progressivement dans les expériences sur les accélérateurs de particules. Le plus grand accélérateur linéaire de particules est l’accélérateur linéaire de Stanford avec une longueur de 2 km.