MATIÈRE ET ÉNERGIE : PRODUCTION ET DETECTION DES PARTICULES

« Ceux-ci ne décrivent plus alors un cercle, mais une spirale, s'éloignant du centre à mesure que leur énergie augmente.

Il est ainsi possible d'atteindre des énergies de l'ordre de 700 MeV.

Cependant, les très hautes énergies dont ont maintenant besoin les physiciens pour créer des particules lourdes, ou sonder les forces de cohésion des particules dites élémentaires, ne peuvent être obtenues qu'avec les synchrotrons à protons, ou les grands accélérateurs linéaires à électrons.

Le principe du synchrotron consiste à maintenir, au cours de l'accélération, la parti­ cule sur une orbite définie, en lui faisant tra­ verser successivement des cavités où règne un champ électrique dirigé dans le sens du mouvement et des zones où un champ magné­ tique courbe la trajectoire, de façon qu'elle se referme finalement sur elle-même.

Dans les zones de premier type, la vitesse de la particule croît sans changement de direction, et son énergie cinétique augmente; dans les zones du deuxième type, la particule est déviée, sans changement du module de sa vitesse, et son énergie ne change pas.

Bien entendu, cette trajectoire est contenue à l'intérieur d'un tube à vide, dans lequel les protons ont peu de chance de rencontrer une molécule de gaz, qui leur ferait perdre de l'énergie dans la collision : le vide doit être très poussé pour rendre négli­ geable la probabilité d'une telle collision pen­ dant tout le très long parcours effectué par le proton durant un cycle d'accélération (plu­ sieurs centaines de milliers de kilomètres).

Pour assurer la constance de l'orbite d'un tour à l'autre, alors qu'à chaque tour la vitesse des protons est différente, il faut faire varier diffé­ rents paramètres en synchronisme avec le pas­ sage des particules.

Le rayon de courbure de la tr·ajcctoire, par exemple, est lié à la quantité de mouvement des protons et à l'induction du Vue générale du synchroton du CERN (Photo Ecole polytechnique).

champ magnétique.

La fréquence du champ électrique d'accélération doit, elle aussi, varier en fonction de la vitesse de particule, puisque la phase doit toujours être telle que la parti­ cule soit accélérée pendant la traversée d'une cavité.

L'injection des particules au début du cycle pose aussi un problème : il n'est pas possible de commencer l'accélération à une vitesse nulle, et plus l'accélération est puis­ sante, plus il faut pré-accélérer les particules avant leur entrée dans le grand accélérateur.

Ceci se fait généralement au moyen d'un accélé­ rateur linéaire de taille modeste, mais, pour les futurs projets d'accélérateurs de plusieurs centaines de GeV, il faudra utiliser un syn­ chrotron du type de ceux de la génération actuelle pour l'injection.

Le principal problème de la conception d'un synchrotron est celui de la focalisation, c'est­ à-dire du maintien de toutes les particules sur l'orbite idéale.

En effet, au moment de l'in­ jection, les protons présentent une certaine dispersion en position et en vitesse, et commen­ cent le cycle sur des orbites légèrement diffé­ rentes de la trajectoire idéale; il faut donc éviter que la dispersion s'accentue d'un tour à l'autre, c'est-à-dire focaliser toutes les parti­ cules pour en faire un faisceau aussi fin que possible.

Le regroupement longitudinal des protons dépend manifestement du champ élec­ trique; il est important pour que tous pénètrent ensemble dans chaque cavité, et cela demande un asservissement de la phase du champ élec­ trique, ·qui doit notamment changer brutalement de signe pour une certaine vitesse moyenne.

La focalisation transversale est beaucoup plus déli­ cate : en effet, la stabilité radiale et la stabilité normale imposent au champ magnétique des conditions contradictoires; la première solution. »