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Les accélérateurs ont été inventés pour produire des particules énergétiques permettant de sonder la structure du noyau des atomes. Depuis, ils ont été utilisés pour explorer divers aspects de la physique des particules. Leur fonction est d’accélérer des faisceaux de particules pour en augmenter l’énergie, au moyen de champs électriques, et de guider et de focaliser ces faisceaux, au moyen de champs magnétiques.
Un accélérateur peut être en forme d’anneau (accélérateur circulaire), ou en ligne droite (accélérateur linéaire). Dans le premier cas, les faisceaux circulent en boucle, dans le deuxième, ils vont d’une extrémité à l’autre. Plusieurs accélérateurs d’énergie croissante peuvent être reliés, de façon à former une chaîne : c’est le cas du complexe d’accélérateurs du CERN.
Les principales composantes d'un accélérateur sont :
- les cavités radiofréquence (RF) et les champs électriques, qui accélèrent le faisceau de particules. Les cavités RF sont situées à des points précis, le long du tube de faisceau. Chaque fois qu’un faisceau traverse le champ électrique à l’intérieur d’une cavité RF, une partie de l’énergie de l’onde radio est transmise aux particules ;
- la chambre à vide, un tube de métal également appelé tube de faisceau, dans lequel circule le faisceau de particules. Ce tube est placé sous un vide très poussé, appelé ultravide, afin de réduire la quantité de gaz présent et ainsi éviter des collisions entre les molécules de gaz et les particules du faisceau ;
- les aimants, qui sont de plusieurs types et remplissent des fonctions différentes. Les aimants dipoles, par exemple, sont généralement utilisés pour courber la trajectoire des particules. Plus une particule est énergétique, plus le champ magnétique servant à courber sa trajectoire doit être puissant. Les aimants quadripolaires sont utilisés pour focaliser un faisceau, rapprochant ainsi toutes les particules entre elles, tout comme des lentilles servent à focaliser un faisceau de lumière.
Les collisions à l’intérieur d’un accélérateur peuvent se produire soit entre un faisceau et une cible fixe, soit entre deux faisceaux. Des détecteurs de particules sont placés autour du point de collision et enregistrent les événements, révélant les particules qui émergent des collisions.