Qu'est-ce qu'un synchrotron?

UNE synchrotron est une conception d'un accélérateur de particules cyclique, dans lequel un faisceau de particules chargées passe à plusieurs reprises à travers un champ magnétique pour gagner de l'énergie à chaque passage. Au fur et à mesure que le faisceau gagne de l'énergie, le champ s'ajuste pour maintenir le contrôle sur la trajectoire du faisceau lorsqu'il se déplace autour de l'anneau circulaire. Le principe a été développé par Vladimir Veksler en 1944, avec le premier synchrotron à électrons construit en 1945 et le premier synchrotron à protons construit en 1952.

Comment fonctionne un synchrotron

Le synchrotron est une amélioration par rapport au cyclotron, qui a été conçu dans les années 1930. Dans les cyclotrons, le faisceau de particules chargées se déplace à travers un champ magnétique constant qui guide le faisceau dans un chemin en spirale, puis passe à travers un champ électromagnétique constant qui fournit une augmentation d'énergie à chaque passage dans le champ. Cette bosse d'énergie cinétique signifie que le faisceau se déplace à travers un cercle légèrement plus large lors du passage à travers le champ magnétique, obtenant une autre bosse, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il atteigne les niveaux d'énergie souhaités.

L'amélioration qui conduit au synchrotron est qu'au lieu d'utiliser des champs constants, le synchrotron applique un champ qui change dans le temps. À mesure que le faisceau gagne de l'énergie, le champ s'ajuste en conséquence pour maintenir le faisceau au centre du tube qui contient le faisceau. Cela permet un plus grand degré de contrôle sur le faisceau, et l'appareil peut être construit pour fournir plus d'augmentations d'énergie tout au long d'un cycle. 

Un type spécifique de conception de synchrotron est appelé anneau de stockage, qui est un synchrotron conçu dans le seul but de maintenir un niveau d'énergie constant dans un faisceau. De nombreux accélérateurs de particules utilisent la structure d'accélérateur principale pour accélérer le faisceau jusqu'au niveau d'énergie souhaité, puis le transfèrent dans l'anneau de stockage pour le maintenir jusqu'à ce qu'il puisse entrer en collision avec un autre faisceau se déplaçant dans la direction opposée. Cela double efficacement l'énergie de la collision sans avoir à construire deux accélérateurs complets pour obtenir deux faisceaux différents jusqu'au niveau d'énergie maximal.

Synchrotrons majeurs

Le Cosmotron était un synchrotron à protons construit au Brookhaven National Laboratory. Il a été mis en service en 1948 et a atteint sa pleine puissance en 1953. À l'époque, c'était le dispositif le plus puissant construit, sur le point d'atteindre des énergies d'environ 3,3 GeV, et il est resté en service jusqu'en 1968..

La construction du Bevatron au Lawrence Berkeley National Laboratory a commencé en 1950 et s'est terminée en 1954. En 1955, le Bevatron a été utilisé pour découvrir l'antiproton, une réalisation qui lui a valu le prix Nobel de physique 1959. (Note historique intéressante: on l'appelait le Bevatraon car il atteignait des énergies d'environ 6,4 BeV, pour des "milliards d'électronvolts". Avec l'adoption des unités SI, cependant, le préfixe giga- a été adopté pour cette échelle, donc la notation a changé pour GeV.)

L'accélérateur de particules de Tevatron au Fermilab était un synchrotron. Capable d'accélérer les protons et les antiprotons à des niveaux d'énergie cinétique légèrement inférieurs à 1 TeV, il a été l'accélérateur de particules le plus puissant du monde jusqu'en 2008, date à laquelle il a été dépassé par le Grand collisionneur de hadrons. L'accélérateur principal de 27 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons est également un synchrotron et est actuellement capable d'atteindre des énergies d'accélération d'environ 7 TeV par faisceau, entraînant 14 collisions TeV.