Accélérateurs de particules

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Le Fermilab, à 70km de Chicago. Y est installé l'un des accélérateurs de particules les plus puissants du monde, le Tevatron. © Fermilab

Les plus petites particules sont détectées au sein d'immenses complexes scientifiques : les accélérateurs. Comment fonctionnent-ils ?

Pour explorer les structures subatomiques, la lumière n'est d'aucun recours : sa longueur d'onde est trop grande. Or un phénomène ondulatoire n'interagit qu'avec des objets plus grands que sa longueur d'onde : contrairement à un paquebot, par exemple, un caillou jeté à l'eau ne perturbe pas la houle. Voilà pourquoi, pour détecter des particules subatomiques, il faut se servir de longueurs d'onde suffisamment petites, inférieures à la taille des particules que l'on cherche.

Augmenter la vitesse pour réduire la longueur d'onde

Où trouver de telles ondes ? La physique offre une réponse. En effet, la dualité onde-corpuscule établie par Louis de Broglie en 1923 explique que toutes les particules peuvent se comporter comme des ondes. Il suffit dès lors d'envoyer sur les objets à sonder des particules de très courte longueur d'onde.

Or la plupart des particules de notre monde ont des longueurs d'onde relativement grandes. Comment diminuer ces grandeurs de façon à utiliser une particule comme sonde ? On se sert de la vitesse : en effet, l'impulsion (ou quantité de mouvement) d'une particule est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. A l'aide des accélérateurs de particules, on augmente la vitesse des particules sondes, ce qui diminue leur longueur d'onde.

L'énergie des particules ainsi accélérées se mesure en électronvolts (eV) mais les unités sont souvent le million (1Mev=10exp6 eV), le milliard d'électronvolts (1Gev=10exp9 eV). Les accélérateurs actuels ont des énergies de plusieurs centaines de GeV.

"Imaginez une collision frontale entre deux fraises où vous obtenez de nouvelles fraises, des petits pois, une banane, des poires, une pomme, une noix et une prune !"

Il reste à envoyer ces particules sur une cible (ou sur une autre faisceau de particules circulant en sens opposé) et enregistrer ce qui se passe.

Concrêtement, on réalise des collisions entre faisceaux de particules chargées (électrons, positrons, protons, antiprotons, ions...).

Des chocs constructifs

Lors du choc, émergent de nouvelles particules, plus massives. Ceci découle de la fameuse équation d'Einstein, E=mc2, qui signifie (entre autres) que la masse n'est qu'une forme d'énergie. Un physicien peut donc utiliser des particules de faible masse pour produire des particules de forte masse : il suffit de les placer dans un accélérateur, de leur donner beaucoup d'énergie cinétique (vitesse) grâce à des champs électriques et magnétiques, et de provoquer des collisions.

Durant ces collisions, l'énergie cinétique des particules est convertie en énergie de masse pour former de nouvelles particules massives. C'est comme si vous faisiez une collision frontale entre deux fraises et obteniez beaucoup de nouvelles fraises, de nombreux petits pois, une banane, quelques poires, une pomme, une noix et une prune !

Plus le choc est énergétique, plus les particules obtenues sont massives. Mais celles-ci sont instables, d'une durée de vie inférieure à 10 exp -20 s. Et aucun appareil n'est capable de les détecter. Seuls les produits issus de leur désintégration sont identifiables. Voilà comment on en est arrivé au bestiaire suivant…