Physique des accélérateurs physics.acc-ph

Un faisceau d'ions lourds dans un accélérateur ressemble à une foule qui se pousse des coudes : plus il y a de monde, plus la foule s'élargit. Les particules chargées se repoussent, et au-delà de quelques microampères, le faisceau s'étale et perd sa forme.

Dans un accélérateur circulaire, les particules tournent en rond, comme des voitures sur un rond-point. Habituellement, lors de l'injection de nouvelles particules, elles occupent des positions aléatoires sur ce rond-point — le faisceau devient « lâche ».

Une corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

Dans un accélérateur de particules, les électrons filent en cercle à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand un tel électron entre en collision avec un photon — une particule de lumière —, le photon rebondit comme une balle contre un camion lancé à toute allure et repart avec une énergie bien plus grande.

Dans les accélérateurs géants, les particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière et se percutent de front. Mais parfois, un faisceau est un peu plus dense que l'autre — comme si, dans un escalator bondé, quelqu'un se tenait du mauvais côté. Alors les collisions se font de manière irrégulière, et les instruments se mettent à « clignoter », faussant les mesures.

Chaque année, aux seuls États-Unis, les médecins réalisent plus de 16 millions d'examens avec l'isotope radioactif technétium-99m. Il illumine sur les images le cœur, les os, les poumons, aide à repérer une tumeur ou à vérifier la circulation sanguine. Mais cet isotope ne vit que six heures, on ne peut donc pas le stocker : il faut un approvisionnement constant.

Un anneau de la taille d'une assiette a fait tourner un faisceau d'électrons en cercle. Son diamètre est de 22 centimètres, et un tour complet ne prend que 4,7 nanosecondes. Pour comparaison : en une seconde, un tel électron aurait le temps de faire plus de deux cents millions de tours.

Dans un accélérateur à plasma, les particules sont accélérées comme des surfeurs sur une vague créée dans le plasma. Si le paquet principal et le paquet arrière ne volent pas sur la même ligne, une instabilité se développe et fait osciller le paquet arrière.

Au cœur des Alpes se cache le Grand collisionneur de hadrons. De temps à autre, ses détecteurs enregistrent des pics soudains — les scientifiques les appellent OVNI (objets volants non identifiés). Selon une théorie, il ne s'agirait pas de pannes d'équipement, mais de traces de matière noire.

Un flux d'électrons peut être comparé à un faisceau de pointeur laser : s'il diverge, la tache sur le mur s'étale rapidement. En laboratoire, des physiciens ont créé un faisceau si étroit qu'il restait fin sur une grande distance, comme le faisceau d'un bon pointeur.

Une impulsion laser qui traverse un plasma est comme un coureur qui se fraye un chemin dans la foule. Il repousse les électrons, laissant derrière lui un canal raréfié, un peu comme la foule s'écarte devant un sprinteur.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

À l'intérieur du futur réacteur à fusion, un aimant aussi lourd qu'une petite voiture flottera en lévitation. Il maintient le plasma surchauffé comme une main invisible tient un nuage. Autrefois, un tel aimant était jugé inadapté au combustible deutérium-tritium : les flux de neutrons le détruisaient rapidement.

À l'intérieur des grands accélérateurs de particules se trouvent des cavités métalliques creuses dans lesquelles les faisceaux sont accélérés. Avec le temps, un dépôt se forme sur leurs parois, comme dans une vieille casserole. Ce dépôt empêche l'accélérateur de fonctionner à pleine puissance.

Les particules dans un accélérateur peuvent osciller dans deux directions transversales à la fois, et ces oscillations ne sont pas toujours indépendantes. Si vous poussez un pendule dans une direction et qu'il se met à osciller aussi latéralement, ce sont des oscillations couplées.

La radiothérapie, c'est un peu comme tirer sur une petite cible avec un fusil de très gros calibre : même un tir précis touche une large zone autour. L'épaisseur de la « trace » — on l'appelle la pénombre — est de 2 à 3 millimètres pour les appareils standard.

Un accélérateur classique ressemble à une chaîne de montage où les électrons sont des pièces brutes. Pour obtenir l'impulsion de rayons X souhaitée, on ajuste longuement la pièce après le lancement : on la comprime, on la filtre, on la corrige. Dans ces nouveaux travaux, les ingénieurs ont choisi une approche différente : donner sa forme à la pièce avant même qu'elle n'entre sur la chaîne.

Un faisceau d'électrons dans un accélérateur ressemble à une volée d'oiseaux : il vole en groupe serré, mais avec le temps, il se disperse. Pour maintenir les particules ensemble, on installe généralement de lourds aimants. Ici, on s'en est passé : le faisceau s'est comprimé tout seul.

Le laser frappe une minuscule grille de verre, et les électrons qui la traversent sont accélérés. Impossible de regarder à l'intérieur : on juge de ce qui se passe par l'énergie des électrons après l'accélération — comme on devine la forme d'une pierre aux éclaboussures qu'elle fait.

Un réacteur nucléaire classique ressemble à une chaudière où le combustible brûle uniformément dans tout le volume. Ici, le tableau est différent : le long d'une barre cylindrique en carbure d'uranium rampe lentement une onde de fission — une zone étroite où les atomes se scindent et dégagent de la chaleur.

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

Le laser infrarouge de l'Institut Fritz Haber fonctionne désormais comme un chef d'orchestre avec deux baguettes. Autrefois, il produisait un seul faisceau dans le moyen infrarouge, là où les molécules vibrent. Aujourd'hui, un second oscillateur a été ajouté, qui émet dans l'infrarouge lointain, là où les charpentes moléculaires entières « respirent ».

Un faisceau de rayons X est un flux de minuscules paquets d'énergie, les photons. Les détecteurs ordinaires les comptent mais ne distinguent pas les nuances : deux photons d'énergie proche sont identiques pour eux. Le nouvel instrument fonctionne comme un thermomètre sensible : il capture chaque photon et mesure à quel point il a chauffé une fine membrane.

Un long lit de jardin étroit demande de l'eau, mais on ne peut pas déplacer le tuyau — seulement ouvrir et fermer le robinet. Si on ouvre simplement le robinet, l'eau coule en un flux continu et inonde tout d'un coup. Mais si on actionne rapidement la poignée, on peut envoyer de courtes quantités d'eau — et chacune atteint précisément sa parcelle.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

Par une chaude après-midi, une chaleur étouffante pèse sur la ville, et pas un nuage à l'horizon. D'habitude, par un temps pareil, on ne peut qu'attendre que la nature se montre clémente et apporte un peu de fraîcheur. Et si l'on pouvait programmer l'ombre et la pluie comme on allume la lumière dans une pièce ?

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Un paquet de protons s'engouffre dans un nuage de plasma – et laisse derrière lui une trace invisible : une onde électrique. Cette onde peut attraper d'autres particules et les propulser à des énergies colossales. Mais la contrôler est délicat : le comportement du plasma est truffé de détails.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

Dans une pièce sombre, un rayon de soleil traverse un trou d'épingle dans du carton, et une image inversée de la rue apparaît sur le mur. La chambre sténopé n'a pas besoin de lentilles : le minuscule orifice sélectionne lui-même les rayons provenant de chaque point de la scène.

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.