Le cyclotron et la physique des particules

L'histoire de la physique des particules est une histoire de recherche de morceaux de matière toujours plus petits. Alors que les scientifiques se plongeaient profondément dans la composition de l'atome, ils devaient trouver un moyen de le séparer pour voir ses blocs de construction. On les appelle les "particules élémentaires". Il fallait beaucoup d'énergie pour les séparer. Cela signifiait également que les scientifiques devaient trouver de nouvelles technologies pour faire ce travail.

Pour cela, ils ont conçu le cyclotron, un type d'accélérateur de particules qui utilise un champ magnétique constant pour retenir les particules chargées alors qu'elles se déplacent de plus en plus rapidement dans un motif en spirale circulaire. Finalement, ils ont atteint une cible, ce qui a pour résultat d'étudier des particules secondaires. Les cyclotrons sont utilisés dans les expériences de physique des hautes énergies depuis des décennies et sont également utiles dans les traitements médicaux du cancer et d'autres affections.

L'histoire du cyclotron

Le premier cyclotron a été construit à l'Université de Californie, Berkeley, en 1932, par Ernest Lawrence en collaboration avec son étudiant M. Stanley Livingston. Ils ont placé de gros électroaimants en cercle et ont ensuite imaginé un moyen de tirer les particules à travers le cyclotron pour les accélérer. Ce travail a valu à Lawrence le prix Nobel de physique 1939. Auparavant, l'accélérateur de particules principal utilisé était un accélérateur de particules linéaire, Iinac pour faire court. Le premier linac a été construit en 1928 à l'Université d'Aix-la-Chapelle en Allemagne. Les linacs sont toujours utilisés aujourd'hui, en particulier en médecine et dans le cadre d'accélérateurs plus grands et plus complexes. 

Depuis les travaux de Lawrence sur le cyclotron, ces unités de test ont été construites dans le monde entier. L'université de Californie à Berkeley en a construit plusieurs pour son laboratoire de radiation, et la première installation européenne a été créée à Leningrad en Russie au Radium Institute. Un autre a été construit pendant les premières années de la Seconde Guerre mondiale à Heidelberg. 

Le cyclotron a été une grande amélioration par rapport au linac. Contrairement à la conception du linac, qui nécessitait une série d'aimants et de champs magnétiques pour accélérer les particules chargées en ligne droite, l'avantage de la conception circulaire était que le flux de particules chargées continuerait à traverser le même champ magnétique créé par les aimants encore et encore, gagnant un peu d'énergie à chaque fois. À mesure que les particules gagnaient en énergie, elles feraient des boucles de plus en plus grandes autour de l'intérieur du cyclotron, continuant à gagner plus d'énergie à chaque boucle. Finalement, la boucle serait si grande que le faisceau d'électrons de haute énergie passerait par la fenêtre, point auquel ils entreraient dans la chambre de bombardement pour étude. En substance, ils sont entrés en collision avec une plaque, et que les particules dispersées autour de la chambre. 

Le cyclotron a été le premier des accélérateurs de particules cycliques et il a fourni un moyen beaucoup plus efficace d'accélérer les particules pour une étude plus approfondie. 

Les cyclotrons à l'ère moderne

Aujourd'hui, les cyclotrons sont encore utilisés pour certains domaines de la recherche médicale, et varient en taille, de la conception grossièrement de table à la taille du bâtiment et plus. Un autre type est l'accélérateur synchrotron, conçu dans les années 1950, et est plus puissant. Les plus grands cyclotrons sont le cyclotron TRIUMF 500 MeV, qui est toujours en activité à l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, en Colombie-Britannique, au Canada, et le cyclotron à anneau supraconducteur au laboratoire Riken au Japon. Il fait 19 mètres de diamètre. Les scientifiques les utilisent pour étudier les propriétés des particules, de quelque chose appelé matière condensée (où les particules se collent les unes aux autres).

Des conceptions d'accélérateurs de particules plus modernes, telles que celles en place au Grand collisionneur de hadrons, peuvent de loin dépasser ce niveau d'énergie. Ces soi-disant "briseurs d'atomes" ont été construits pour accélérer les particules à très près de la vitesse de la lumière, alors que les physiciens recherchent des morceaux de matière toujours plus petits. La recherche du boson de Higgs fait partie du travail du LHC en Suisse. D'autres accélérateurs existent au Brookhaven National Laboratory à New York, au Fermilab dans l'Illinois, au KEKB au Japon et autres. Ce sont des versions très coûteuses et complexes du cyclotron, toutes dédiées à la compréhension des particules qui composent la matière dans l'univers.