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collisionneur

Collision de particules subatomiques
Collision de particules subatomiques

Nom générique des appareils permettant de réaliser la collision de deux faisceaux de particules. Ce sont soit des anneaux de collision, soit des anneaux de stockage à intersections, ou encore d'autres dispositifs utilisant des accélérateurs.)

1. Principe de fonctionnement d'un collisionneur

Lors de la collision d'une particule sur une cible fixe, une grande partie de l'énergie est « perdue » dans l’énergie cinétique de recul de l’ensemble (la cible est entraînée par le projectile). L'énergie propre à la collision ne croît que comme la racine carrée de l'énergie incidente. Dans un collisionneur, au contraire, toute l'énergie des deux particules qui se rencontrent constitue l'énergie propre à la collision. La situation s'apparente, dans le premier cas, au choc d'une automobile sur une autre à l'arrêt et, dans le second, à la collision de deux voitures se heurtant de plein fouet à des vitesses opposées.

Les faisceaux de particules accélérées doivent circuler dans un vide poussé (ultravide) comparable à celui existant dans l’espace. Aux points d’impact, des énormes détecteurs ultra perfectionnés, disposant de systèmes d’acquisition de données et de calcul très complexes, permettent d'analyser les résultats des collisions entre particules.

2. Utilisations des collisionneurs

Les collisionneurs sont des accélérateurs de particules qui permettent d’atteindre des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs TeV [teraélectronvolts] par faisceau de particules), nécessaires à l’étude de particules élémentaires telles que le boson de Higgs, mais aussi pour la recherche des particules qui pourraient former la fameuse matière noire constituant environ 25,8 % de l’Univers observable. La plus grande machine de ce type est le Grand collisionneur de hadrons (→ LHC, Large Hadron Collider) du Cern, installé à la frontière franco-suisse, dont l’anneau de collision mesure 27 kilomètres de circonférence.

Le Cern dispose également d’un autre collisionneur très performant, le Supersynchrotron à protons (SPS → synchrotron) de 7 kilomètres de circonférence et d’une puissance de 450 GeV (gigaélectronvolts). Le SPS a notamment permis de découvrir en 1983, les bosons W et Z, découverte qui fut couronnée du prix Nobel l'année suivante. Il est toujours en activité et est notamment utilisé pour l’expérience COMPASS qui étudie la structure des hadrons (particules constituées de quarks).

Il existe également un autre type de collisionneur en activité au Laboratoire national de Brookhaven à Upton (États-Unis), le Collisionneur d'ions lourds relativistes ou RHIC (de l'anglais Relativistic Heavy Ion Collider). C’est un accélérateur de particules permettant de réaliser des collisions entre ions lourds à vitesses relativistes (proches de la vitesse de la lumière), afin d’étudier la forme primordiale de la matière qui existait aux premiers instants de l'Univers, selon le modèle du big bang.