Comment produire des Rayons Gamma ?

Voici une série d’animations qui montrent comment les rayons gamma peuvent être créés avec différentes interactions de particules.

Production et désintégration de pion

Un proton qui se déplace à vitesse très proche de celle de la lumière vient frapper un proton un peu plus lent. Les protons survivent à la collision mais leur interaction crée une particule instable appelée « pion » avec seulement 14% de la masse du proton. En 10 millionièmes de milliardième de seconde, le pion se désintègre en une paire de photons gamma.

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L’accélérateur de particules du Fermilab a 8 mois pour trouver le boson de Higgs

Le Tevatron du Fermilab, situé à Batavia (Illinois, Etats-Unis), fermera ses portes en septembre 2011. Cet accélérateur de particules a eu une illustre carrière mais la découverte du Boson de Higgs serait la cerise sur le gâteau.

Les premières collisions de particules du Tevatron se sont produites le 13 octobre 1985. Le 2 mars 1995, il a découvert la plus lourde des particules fondamentales (le quark top). Il a mesuré l’asymétrie matière-antimatière et a fait la mesure la plus précise de la masse du boson W (porteur de la force nucléaire faible)… entre autres.

Les chercheurs du Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) voulaient faire fonctionner le Tevatron jusqu’en 2014 pour avoir une chance de détecter le Boson de Higgs (s’il existe) avant le LHC mais le Département de l’Energie des Etats-Unis (DOE) a annoncé ne pas pouvoir apporter les 35 millions de dollars nécessaires. Le Tevatron fermera donc ses portes en Septembre 2011, comme prévu à l’origine.

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Antimatière : un des plus grands mystères de la science

Lors du Big Bang, on pense que la matière et l’antimatière ont été produites en quantité égale. Pourtant, notre monde est fait de matière et l’antimatière semble avoir totalement disparue. Pourquoi ? Pour le savoir, les scientifiques utilisent toute une gamme de méthodes afin de déterminer si une infime différence pourrait pointer vers une explication.

Une de ces méthodes consiste à comparer l’atome d’hydrogène (constitué d’un proton et d’un électron) avec l’atome d’antihydrogène (constitué d’un antiproton et d’un positron) pour voir s’ils se comportent de la même manière. La matière et l’antimatière sont identiques, à l’exception de leur charge.

Le CERN est le seul laboratoire au monde disposant d’une installation dédiée aux antiprotons à basse énergie où l’on peut mener ce genre de recherches.

En 1995, les 9 premiers atomes d’antihydrogènes ont été produits au CERN. En 2002, les expériences ATHENA et ATRAP ont montré qu’il était possible de produire de l’antihydrogène en grande quantité, ouvrant la possibilité de mener des études détaillées.

L’expérience ALPHA, menée au Décélérateur d’antiprotons du CERN, a franchi une étape importante en développant des techniques permettant de comprendre quelle est la différence entre la matière et l’antimatière.

Hier, 17 novembre 2010, le CERN a annoncé avoir réussi à produire et capturer des atomes d’antihydrogène. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans le journal Nature

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LHC : premières collisions de protons dans les 10 jours

Aujourd’hui, pour la première fois depuis son redémarrage, le LHC a fait circuler des faisceaux de protons dans les 2 sens. Les scientifiques font encore quelques tests avant de provoquer les collisions de protons dans les 10 jours qui viennent.

Le LHC pourra reproduire les mêmes conditions que dans les 2 trillionièmes de secondes après le Big Bang qui a marqué la création de l’Univers, il y a environ 13,7 milliards d’années

Via Physorg.com

Fonctionnement du LHC

Tout commence avec les atomes d’hydrogène d’une bouteille d’hydrogène compressé qui sont injectés à une cadence strictement contrôlée dans la chambre d’un accélérateur linéaire : le Linac 2.

LINAC 2
Les électrons sont arrachés pour ne laisser que les noyaux d’hydrogène : des protons dont la charge est positive. Ces protons sont accélérés par un champ électrique. Lorsque que le paquet de protons quitte le Lineac 2, sa vitesse est de un tiers celle de la lumière.

INJECTEUR
Le faisceau pénètre ensuite dans l’injecteur. Afin d’augmenter l’intensité du faisceau, le paquet est divisé en 4 : un pour chacun des anneaux de l’injecteur. L’injecteur est circulaire (157m de circonférence). Un champ électrique pulsé accélère le faisceau de protons pendant que des aimants exercent une force perpendiculaire à leur sens de déplacement. Des électro-aimants très puissants sont utilisés.

L’injecteur accélère les protons jusqu’à 91,6% de la vitesse de la lumière et resserre les paquets qui sont ensuite rassemblés en un faisceau unique qui est injecté dans le Synchroton à protons.

SYNCHROTON
Le synchroton mesure 628m de circonférence. Les paquets tournent pendant 1,2 secondes à 99,9% de la vitesse de la lumière. L’énergie transmise aux protons par le champ électrique ne peut plus se traduire par une augmentation de vitesse car ceux-ci approchent la limite de la vitesse de la lumière. Le surplus d »énergie se manifeste alors par une augmentation de la masse des protons : les protons ne peuvent pas aller plus vite donc ils deviennent plus lourds. A ce stade de l’accélération, l’énergie cynétique des protons atteint 25 GeV (Giga-électrons-volts) : les protons sont 25x plus lourds que des protons au repos (dont l’énergie se mesure en électrons volts)

SUPER SYNCHROTON
Les paquets sont alors acheminés vers le Supersynchroton à protons (SPS) qui est un anneau de 7 Km de circonférence et a pour but de faire atteindre aux protons une énergie de 450 GeV
Les protons sont ensuite injectés dans le Grand collisionneur de hadrons : le LHC

LHC
Le LHC a une circonférence de 27 Km. Il est profondément enfoui sous terre et se situe entre le Jura et les Alpes, de part et d’autre de la frontière franco-suisse. Il comporte 2 tubes sous vide dans lesquels circulent les faisceaux de protons en sens opposé. Des électro-aimants synchronisent les paquets arrivant avec ceux en circulation. Les paquets se croisent dans les 4 détecteurs où on les fait entrer en collision.

Ce sont les particules issues de ces collisions que l’on cherche à repérer grâce aux détecteurs.
Le SPS (Super Proton Synchroton) injecte des protons pendant 30 minutes. Pendant ce temps, le LHC augmente l’énergie des protons. Leur vitesse devient très proche de la vitesse de la lumière et ils parcourent les 27 Km plus de 11 000 fois par seconde. Leur vitesse est augmentée à chaque tour grâce au champ électrique pulsé. L’énergie de chaque proton pourrait atteindre 7 TeV (en théorie), leur masse devenant 7000 fois plus importante qu’au repos.

La force magnétique nécessaire pour que les faisceaux maintiennent leur trajectoire à l’intérieur de l’anneau est si importante qu’il faut un courant de 12 000 ampères dans les électro-aimants. Pour atteindre cette intensité, le LHC doit être plus froid que l’espace ce qui permet de rendre les aimants supraconducteurs.

Les protons sont maintenant prêts à entrer en collision dans les détecteurs. Un aimant dévie leur trajectoire afin de provoquer le choc. L’énergie de 2 protons entrant en collision à ce moment est de 14 TeV et reproduit les conditions similaires à celles qui ont suivi le Big Bang.

ANALYSE
Les traces des particules issues de ces collisions seront analysées par des ordinateurs reliés aux détecteurs. Cela devrait permettre de mieux comprendre notre Univers : les évènements de sa naissance, son évolution, son comportement actuel et son futur.

D’après la vidéo du CERN : Bottle to Bang

En plus de cela, les résultats permettront peut être de découvrir de nouvelles particules dont le boson de Higgs (qui serait à l’origine de la masse des particules), et surtout de « faire le ménage » dans les théories actuelles : il y a aujourd’hui de nombreuses théories et seules celles qui seront conformes aux observations faites au LHC seront validées. Cela permettra aux physiciens théoriciens de savoir s’ils ont fait fausse route ou s’ils sont sur la bonne voie. Les physiciens qui ont fait fausse route pourront se mettre alors à étudier les théories valides ce qui permettra d’avancer encore plus vite.

Les découvertes faites au LHC pourraient bien bouleverser notre vision du monde car certaines théories défient l’imagination et sont proches de la science-fiction. Si des théories comme la théorie M (qui unifie les théories des cordes) s’avéraient conformes aux résultats du LHC, cela démontrerait que le monde est beaucoup plus complexe que ce que vous n’auriez jamais osé imaginer : dimensions supplémentaires, Univers parallèles etc.

A voir :
Le Large Hadron Collider en 10′ (vidéo)