Liste des accélérateurs en physique des particules

Cet article concerne la liste des accélérateurs de particules utilisés pour les expériences de physique des particules. Les tout premiers accélérateurs ont été surtout utilisés en physique nucléaire.

Dans l'histoire de la physique des particules, les rayons cosmiques ont été les premiers fournisseurs de particules (astroparticules) à très haute énergie. La radioactivité ne produit pas de tels projectiles. Les rayons cosmiques ont l'inconvénient d'être rares et d'avoir des énergies imprévisibles (jusqu'à 10⁸TeV soit 100 millions de fois l'énergie des particules du Tevatron[1]). Pour explorer le noyau, comme pour produire des particules, les expérimentateurs souhaitaient disposer de faisceaux de particules connues, animées d'une énergie connue, et maîtriser ainsi les conditions d'expérience. C'est pourquoi la technique des accélérateurs a connu, après la Seconde Guerre mondiale, des perfectionnements successifs grâce auxquels ces instruments ont pratiquement supplanté les rayons cosmiques comme sources de projectiles à haute énergie[2].

Les accélérateurs de particules ont été construits en tenant compte des 3 idées simples suivantes :

Ils n'accélèrent que les particules porteuses d'une charge électrique, sensibles aux champs électriques et magnétiques que la technologie sait produire et utiliser.
Les particules accélérées doivent rester stables (ne pas se désintégrer) pendant l'accélération. L'électron et le proton, le positron et l'antiproton répondent à ces conditions. Les ions lourds sont chargés et stables mais mal adaptés à l'étude des particules.
Les particules doivent circuler dans un vide suffisant pour ne pas heurter une molécule qui perturberait leur trajectoire[3].

Remarque : dans cette liste, un même accélérateur peut apparaître deux fois (ou plus) dans le même tableau, par exemple avant et après une modification ou une amélioration, et/ou dans deux tableaux (ou plus), selon qu’il a été transformé d’un type en un autre ou bien s’il peut fonctionner selon deux modes. Ainsi, le Tevatron apparaît à trois reprises : une fois dans le tableau "accélérateurs à cible fixe" et deux fois dans le tableau "collisionneurs de Hadrons". Autre exemple, le Large Hadron Collider peut produire des collisions entre protons comme des collisions entre ions, d’où sa présence dans les deux tableaux correspondants.

Les accélérateurs primitifs

Ils utilisèrent tous de simples faisceaux dirigés sur des cibles fixes. Ils furent utilisés pour des expérimentations brèves, peu coûteuses, sans qualificatif (elles n'ont pas porté de nom).

Cyclotrons

Avec les plus grands cyclotrons mis en service avant la guerre, l'énergie atteignait un plafond. Le cyclotron ne peut pas accélérer des particules aussi légères que les électrons, car ces particules se comportent rapidement de manière relativiste.

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme	Particule accélérée	Energie cinétique	Notes et découvertes
Cyclotron de 23 cm	UC Berkeley - U.S.A.	1931	Circulaire	H₂⁺	1,0 MeV	Mise en évidence du concept
Cyclotron de 28 cm	UC Berkeley - U.S.A.	1932	Circulaire	Proton	1,2 MeV
Cyclotron de 68 cm	UC Berkeley - U.S.A.	1932-1936	Circulaire	Deutérium	4,8 MeV	Interactions deutérium / noyaux
Cyclotron de 94 cm	UC Berkeley - U.S.A.	1937-1938	Circulaire	Deutérium	8 MeV	Découverte de nombreux isotopes
Cyclotron de 152 cm	UC Berkeley - U.S.A.	1939-1941	Circulaire	Deutérium	16 MeV	Découverte de nombreux isotopes
Cyclotron de 4,67 m	Berkeley Rad Lab^[1] - U.S.A.	1942-	Circulaire	Diverses	>100 MeV	Recherche sur la séparation de l'isotope de l'uranium
Calutrons	Oak ridge, Tennessee - U.S.A.	1943-	« En fer à cheval »	Noyaux d'uranium		Utilisés pour séparer des isotopes du Projet Manhattan

^[1] Premier accélérateur construit sur le site actuel du Lawrence Berkeley National Laboratory, connu par la suite sous le nom de Berkeley Radiation Laboratory ("Rad Lab" pour faire court)

Accélérateurs électrostatiques

Une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique statique. Voir les accélérateurs électrostatiques

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme	Particule accélérée	Energie cinétique	Notes et découvertes
Accélérateur électrostatique de Cockcroft et Walton	Cavendish Laboratory	1932	générateur Cockcroft-Walton	Proton	0.7 MeV	Le premier à briser le noyau (Lithium)

Synchrocyclotrons

Dans un synchrocyclotron, c'est la dimension de l'électroaimant qui détermine l'énergie finale. La fréquence de résonance du système HF doit pouvoir varier facilement grâce à un condensateur variable intercalé entre le conducteur du duant (dee) et la paroi. Une tension continue, superposée à la tension HF est appliquée à l'électrode d'accélération pour faciliter l'extraction de la source d'ions.

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme	Particule accélérée	Energie cinétique	Notes et découvertes
Synchrocyclotron	Berkeley - U.S.A.	1948-	circulaire	proton	350 Mev	Etude des mésons π
Synchrocyclotron	CERN (Genève)	1958-1990	Circulaire d= 227 cm Variation de fréquence 30 à 16 MHz	Proton	680 MeV	Moment magnétique anomal du muon
Synchrocyclotron	Dubna, Russie	Décembre 1949-	Pôle E.aimant d = 6 m	Proton	700 MeV	7 000 tonnes ( Tour Eiffel = 7150 t)
Synchrocyclotron	Saint-Pétersbourg, Russie		Pôle E.aimant d = 7 m	Proton	1 GeV	7 000 tonnes

Synchrotrons

Moins de métal, moins de puissance électrique : les synchrotrons ont permis un bond en avant de l'énergie. L'énergie du Bevatron de Berkeley , 6,2 GeV n'a pas été choisie arbitrairement : c'est l'énergie minimale nécessaire pour produire des antiprotons.

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme et taille	Particule accélérée	Energie cinétique	Notes et découvertes réalisées
Cosmotron	Brookhaven National Laboratory U.S.A.	1953-1968	Anneau circulaire (72 mètres environ)	Proton	3,3 GeV	Particules en V, production artificielle de mésons.
Birmingham Synchrotron	Université de Birmingham	1953		Proton	1 GeV
Bevatron	Berkeley Rad Lab - LBNL - U.S.A.	1954- ~1970	"Piste de course"	Proton	6,2 GeV	Essai sur les particules étranges. Antiproton, antineutron sont découverts.
Bevalac, combinaison d'un tube de divergence LINAC , le SuperHILAC, et du Bevatron	Berkeley Rad Lab - LBNL - U.S.A.	~1970-1993	LINAC suivi d'une "Piste de course"	Tout noyau stable		Observation de matière nucléaire condensée. Ionisation intra-tumorale en cancérologie.
Saturne I	Saclay, France	1958-1997		Proton, ions lourds	3 GeV proton
Zero Gradient Synchrotron	Argonne National Laboratory - U.S.A.				12,5 GeV
Proton Synchrotron PS	CERN, Suisse	1959-	Diamètre : 200 m focalisation forte	Proton	25 GeV[4]	Production d’antiprotons. Nombreuses expériences, dont : CLOUD, DIRAC, n_TOF. Également injecteur pour ISR et SPS.
Synchrotron à gradient alternés AGS	Brookhaven National Laboratory-U.S.A.	1960-	Diamètre : 200 m focalisation forte	Proton	33 GeV	Découverte du neutrino muonique J/Ψ (1974), Violation CP / kaon

Les accélérateurs à cible fixe

Nombreux furent les accélérateurs modernes qui furent utilisés aussi sur le mode de la cible fixe ; souvent ils furent aussi utilisés comme préaccélérateurs dans des systèmes collisionneurs, voire eux-mêmes convertis en collisionneurs.
Exemple : le SPS du CERN, qui, tout en étant toujours utilisé pour projeter des particules sur cibles fixes, fut converti en collisionneur protons/antiprotons, et sert actuellement d’injecteur pour le Large Hadron Collider (LHC)[5].

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme et taille	Particule accélérée	Énergie cinétique	Expériences	Notes
SLAC Linac	Stanford Linear Accelerator Center U.S.A.	1966 -	Accélérateur linéaire de 3 km	Électron/ Positron	50 GeV		Améliorations successives, utilisé pour alimenter le PEP, SPEAR, Stanford Linear Collider, PEP-II
Anneau principal du Fermilab	Fermilab-U.S.A.	1972 - 1997
Super Proton Synchrotron SPS	CERN, Suisse	1976 -		Protons, ions divers.	450 GeV pour les protons. 33 TeV pour des ions de plomb.	Très nombreuses, parmi lesquelles : CNGS, COMPASS, SHINE, création de Plasma quark-gluon.	Également transformé en collisionneur $Sp{\overline {p}}S$ (Super Proton Antiproton Synchrotron) en 1981, et utilisé comme injecteur du LHC.
Bates Linear Accelerator	MIT, Middleton, MA, U.S.A.	1974 - 2005	500 MeV linac and storage ring	Electrons polarisés
CEBAF	Jefferson Laboratory, Newport News, VA, U.S.A.	1994 -	5,75 GeV LINAC recircularisé (mis à niveau 12 GeV)	Électrons polarisés
MAMI	Mayence, Allemagne	1979 -	855 MeV accélérateur	Électrons polarisés
Tevatron	Fermilab Batavia, Illinois, U.S.A.	1983 - 1987	Anneaux de 6,3 km				Améliorations régulières puis transformation en collisionneur
GANIL	Caen, France	1983 -	Deux cyclotrons en série.	Ions du carbone à l'uranium	Jusqu'à 95 MeV/A		Voir découvertes du GANIL
Vivitron	Strasbourg, France	1993 - 2003	Électrostatique Van de Graaff tandem[6]	Ions divers	?		Performances inférieures aux objectifs, mais néanmoins fonctionnel.
Spallation Neutron Source	Oak Ridge National Laboratory-U.S.A.	2006 -	Linéaire (335 m) et circulaire (248 m)	Protons	800 MeV - 1 GeV

Les collisionneurs

Un collisionneur est une machine qui accélère simultanément deux faisceaux de particules en sens inverse, afin de les faire entrer en collision frontale. Ce type d’installation est plus difficile à construire, mais est bien plus performant qu’un accélérateur "simple" projetant ses particules sur une cible fixe.

Les collisionneurs électrons-positrons (e⁺/e⁻)

Dans la grande majorité des cas, les énergies des électrons et des positrons sont identiques. Mais comme il existe également quelques cas où ces énergies sont différentes, le tableau comporte deux colonnes pour différencier les énergies des deux types de particules.

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme et taille	Energie des électrons	Energie des positrons	Expériences	Découvertes notables
AdA	Frascati, Italie	1961-1964	Circulaire circonférence de 130 cm	250 MeV	250 MeV	.	.
ACO Anneau de Collisions d'Orsay	Orsay, France	1965-1975	Circulaire circonférence de 22 m	550 MeV	550 MeV	ρ₀, K⁺K⁻,φ_3C, μ⁺μ⁻, M2N et DM1	De 1975 à 1988, ACO fut utilisé comme source de rayonnement synchrotron.
SPEAR	SLAC, U.S.A.					Mark I (détecteur) Mark II (détecteur) Mark III (détecteur)	Découverte d'états du Charmonium Quark charme (1974) Lepton tau (1978)
PEP	SLAC, U.S.A.					Mark II
Stanford Linear Collider SLC	SLAC, U.S.A.		Addition au SLAC Linac	45 GeV	45 GeV	SLD, Mark II	Évidence des 3 familles de neutrinos Mesure de l'angle de mélange électrofaible
Grand collisionneur électron-positron LEP	CERN Genève, Suisse	(LEP I) 1989-1995 (LEP II) 1996-2000	Circulaire, 27 km	104 GeV	104 GeV	Aleph Delphi Opal L3	Seulement 3 familles de neutrinos existent, impliquant 3 générations de fermions. Mesures précises de la masse des bosons W et Z.
DORIS	DESY (Hambourg, Allemagne)	1974-1993	Circulaire, 300 m	5 GeV	5 GeV	ARGUS, Crystal Ball, DASP, PLUTO	Oscillation des mésons B neutres
PETRA (en)	DESY (Hambourg, Allemagne)	1978-1986	Circulaire, 2 km	20 GeV	20 GeV	JADE, MARK-J, PLUTO, TASSO	Découverte du gluon dans des événements à 3 jets
CESR (en)	Cornell University, U.S.A.	1979-2002	Circulaire, 768 m	6 GeV	6 GeV	CUSB, CHESS, CLEO, CLEO-2, CLEO-2.5, CLEO-3	Première observation d'une désintégration β
CESR-c	Cornell University, U.S.A.	2002-?	Circulaire, 768 m	6 GeV	6 GeV	CHESS, CLEO-c
PEP-II	SLAC, U.S.A.	1998-2008	Circulaire, 2,2 km	9 GeV	3,1 GeV	BaBar	Découverte de la violation de la symétrie CP dans le système méson B
KEKB	KEK, Japon	1999-2008?	Circulaire, 3 km	8,0 GeV	3,5 GeV	Belle	Découverte de la violation de la symétrie CP dans le système méson B
VEPP-2000	Novossibirsk	2006-	Circulaire, 24 m	1,0 GeV	1,0 GeV
VEPP-4M	Novossibirsk	1994-?	Circulaire, 366 m	6,0 GeV	6,0 GeV
BEPC	Chine	1989-?	Circulaire, 240 m	2,2 GeV	2,2 GeV	BES
DAΦNE	Frascati, Italy	1999-	Circulaire, 98 m	0,7 GeV	0,7 GeV	KLOE
BEPC II	Chine	2008-	Circulaire, 240 m	3,7 GeV	3,7 GeV	Beijing Spectrometer III (en)

Les collisionneurs de Hadrons (p anti p et pp )

Accélérateur	Localisation	Années opérationnelles	Forme et taille	Particules collisionnées	Energie des faisceaux	Expériences (détecteurs)
Anneaux de stockage à interaction ISR	CERN (Europe)	1971-1984	Anneaux circulaires (948 m)	Proton/ Proton & Proton/ Antiproton[7]	31,5 GeV	Production de particules à grande impulsion transverse
Super Proton Synchrotron $Sp{\overline {p}}S$	CERN (Europe)	1981-1984[8]	Anneau circulaire (6,9 km)	Proton/ Antiproton		UA1, UA2
Tevatron Run I	Fermilab (U.S.A.)	1992-1995	Anneau circulaire (6,3 km) et anneau injecteur	Proton/ Antiproton	900 GeV + 900 GeV	CDF, D0
RHIC mode pp	Brookhaven National Laboratory (BNL - U.S.A.)	2000-ce jour	Anneau circulaire (3,8 km)	Proton/ Proton	100 GeV + 100 GeV	PHENIX,STAR
Tevatron Run II	Fermilab (U.S.A.)	2001-2011	Anneau circulaire (6,3 km) et anneau injecteur	Proton/ Antiproton	980 GeV + 980 GeV	CDF, D0 quark top (1995)
Large Hadron Collider LHC	CERN (Europe)	10/09/2008-ce jour	Anneaux circulaires (27 km)	Proton/ Proton	7 TeV + 7 TeV Nominal	ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM

Les collisionneurs protons-électrons (p/e⁻)

Accélérateur	Localisation	Années de fonctionnement	Forme et taille	Energie des électrons	Energie des protons	Expériences
HERA	DESY	1992-2007	Anneau circulaire (6 336 mètres environ)	27,5 GeV	920 GeV	H1, ZEUS, HERMES, HERA-B

Les collisionneurs d'ions

Accélérateur	Localisation	Années opérationnelles	Forme et taille	Ions collisionnés	Énergie des ions	Expérimentations
Collisionneur d'ions lourds relativistes RHIC	Brookhaven National Laboratory, New York, U.S.A.	2000-	3,8 km	Au-Au; Cu-Cu; d-Au; pp polarisés	0.1 TeV par nucléons	STAR, PHENIX, Brahms, Phobos
Large Hadron Collider LHC	CERN, Europe	2009-ce jour	Anneaux circulaires (environ 27 km)	Pb-pb	2,76 TeV par nucleon	ALICE

Cas particuliers

Le décélérateur d’antiprotons, au CERN : comme son nom l’indique, cet appareil sert à ralentir des antiprotons (produits par des protons projetés à grande vitesse sur une cible métallique), et a donc un principe de fonctionnement inverse de celui d’un accélérateur de particules ! Le but de cette machine est de recueillir des antiprotons (générés grâce à une autre installation), de les amener à basse énergie, et enfin d’en faire un faisceau contrôlé. Ce faisceau peut alors être exploité par certaines expériences qui ne pourraient pas utiliser un flux d’antiprotons "brut"[9].

Notes et références

H. Przysiezniak, Les casseurs d'atomes , 529^e conférence de l'Université de tous les savoirs , 16-06-2004
Michel Crozon, La matière première - La recherche des particules fondamentales et leurs interactions Éditions du Seuil,1987
Michel Crozon, L'univers des particules, Éditions du Seuil , 1999
(fr) public.web.cern.ch ; PS – le synchrotron à protons, un jongleur de particules
(fr) public.web.cern.ch ; SPS – le supersynchrotron à protons, le premier Seigneur des anneaux
(fr) Le Vivitron, introduction
Les collisions proton/antiproton n’eurent lieu qu’à partir d’avril 1981 : public.web.cern.ch ; Proton contre proton, consulté en juillet 2010.
Le SPS est toujours en service actuellement, mais en tant qu'injecteur pour le LHC et qu'accélérateur sur cible fixe et non en tant que collisionneur, cf plus haut.
(fr) public.web.cern.ch ; AD – Le Décélérateur d’antiprotons, consulté en août 2009

Liens internes

Liens externes

(fr) LHC, le plus grand accélérateur du monde (site LHC-France du CNRS et du CEA)
(fr) Le guide du LHC (CERN)
(en) Le site de l' accélérateur LHC du CERN
(en) Judy Goldhaber, "Bevalac Had 40-Year Record of Historic Discoveries". October 9, 1992. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/Bevalac-nine-lives.html
(en) High-energy collider parameters from the Particle Data Group
(en) Particle accelerators around the world
(en) Lawrence and his laboratory - a history of the early years of accelerator physics at Lawrence Berkeley Laboratory
(en) A brief history and review of accelerators (11 p, PDF file)
(en) SLAC beamlines over time
(en) Accelerators and detectors named Mark at SLAC
(en)(fr) An accelerator manufacturer

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