Retrouvez ici les différentes étapes de la visite de Sciences-ACO !
Chaque élément d’ACO (Anneau de Collision d’Orsay) a une utilité propre que nous commentons sur cette page. Il vous suffira de scanner les QR codes que vous découvrirez tout au long de votre visite pour accéder à ces informations.
Retrouvez les QR codes présents dans la salle, ci-dessous ! Cliquer dessus vous emmènera également au fichier audio. Les transcriptions de chaque guide audio sont aussi données en dessous des QR codes.
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1 – Introduction
TRANSCRIPTION
Bonjour et bienvenue dans la salle d’expériences ACO. ACO est un acronyme qui signifie Anneau de Collision d’Orsay. C’est le nom de l’appareil circulaire qui se trouve en face de vous. Au cours de ce guide audio, je vais vous expliquer le fonctionnement et l’intérêt qu’a eu cette machine lors de son fonctionnement entre les années 60 et les années 80. Durant la première partie de son utilisation, entre les années 60 et 70, l’objectif d’ACO est, comme pour une grande partie des accélérateurs de particules, d’étudier les différentes propriétés des particules qui constituent le monde qui nous entoure. Pour ce faire, nous prenons des particules dont nous connaissons bien la nature : des électrons, un des constituants élémentaire de la matière dont les déplacements sont à l’origine des courants électriques, et des positrons, des particules quasiment identiques aux électrons avec une charge électrique opposée. Nous les accélerons à des vitesses proches de celle de la lumière à l’intérieur de l’anneau de manière à pouvoir augmenter leur énergie puis, nous les faisons entrer en collision. Lors de cette collision, toute l’énergie accumulée par ces particules va être libérée, ce qui va permettre la création de nouvelles particules qui ne sont pas observables à l’état naturel. De nos jours, les scientifiques continuent de construire des accélérateurs de particules de plus en plus grands pour atteindre des énergies de plus en plus élevées et ainsi tenter de découvrir de nouvelles particules. C’est par exemple le cas du LHC, un accélérateur de protons de 26 km de long, situé au CERN au niveau de la frontière franco-suisse. Dans la deuxième partie de sa vie, ACO à servi de source de rayonnement synchrotron, un sujet qui sera abordé plus tard dans ce guide. Il s’agit d’utiliser les particules tournant dans l’anneau pour créer une lumière avec de très bonnes propriétés qui peut être utilisé pour étudier différents matériaux. De nos jours, ce genre d’étude est toujours effectuée sur différents matériaux, entre autres au synchrotron SOLEIL sur le plateau de Saclay. Dans la suite de ce guide, je vais vous présenter plus en détail le fonctionnement de cet accélérateur. Pour ce faire, je vous invite à vous diriger sur la gauche de l’anneau où je vais vous expliquer comment on injectait les particules à l’intérieur de ce dernier.
2 – Zone d’injection
TRANSCRIPTION
Vous vous trouvez ici au niveau de la zone d’injection des électrons et des positrons dans ACO. Vous pouvez voir, sur votre droite, venant d’un mur blanc, et sur votre gauche, venant d’un mur gris, deux grands tubes allant vers l’anneau. C’est par ces tubes que l’on injecte ; les électrons et les positrons. Le tube de droite sert à acheminer les électrons, ces derniers ayant été accélérés au préalable dans un accélérateur linéaire se trouvant derrière le mur. Celui de gauche, lui, sert à acheminer les positrons. Comme ces particules n’existent pas à l’état naturel, on les crée en amont par intéractions entre les électrons de l’accélérateur linéaire et un bloc de tungstène.
3 – Dipôle
TRANSCRIPTION
Les grands éléments rouge et bleu numérotés que vous pouvez voir juste à droite de la zone d’injection sont des électroaimants appelés dipôles. Les dipôles, qui sont constitués de deux pôles magnétiques : un nord et un sud, produisent un champ magnétique qui sert à courber la trajectoire des particules chargées dans l’anneau. Chaque dipôle va induire une rotation de 45° pour le faisceau de particules. Étant donné que l’on a 8 dipôles tout le long de l’anneau, on peut effectuer un tour complet. Le fonctionnement des dipôles est relativement simple. Ils sont constitués de deux bobines, qui sont les parties que vous pouvez voir en rouge, dans lesquelles on va faire passer un courant électrique, ce qui va générer un champ magnétique. La partie bleue, quant à elle, constituée d’un bloc d’acier sert à confiner le champ magnétique.
4 – Quadripôle
TRANSCRIPTION
Je vous invite maintenant à vous déplacer, en sens inverse à celui des aiguilles d’une montre autour d’ACO, jusqu’à cet élément surmonté de trois boîtes vertes. Ces trois boîtes vertes sont 3 des 12 quadripôles d’ACO. Si on fait circuler un paquet de particules dans ACO sans lui imposer aucune contrainte, le faisceau va avoir tendance à naturellement s’élargir jusqu’à entrer en collision avec les parois de l’accélérateur où il sera perdu. Pour éviter que cela ne se produise, on utilise des quadripôles. Ils agissent de manière analogue à celle de lentilles en optique. Les quadripôles focalisent le faisceau et l’empêchent de diverger. Comme leurs noms l’indiquent, ils sont formés d’aimants à quatre pôles, alternativement un pôle nord, un pôle sud, un pôle nord, un pôle sud. Vous pouvez voir, ici en rouge, quatre bobines de fil conducteur, similaires à celles des dipôles. Quand on fait passer un courant électrique dans ces bobines, elles vont générer le champ magnétique nécessaire à la focalisation du faisceau. Avec ce système, chaque quadripôle va compresser le faisceau dans un plan et l’élargir dans un plan perpendiculaire. C’est pourquoi dans ACO, on monte des triplets de quadripôles de manière à pouvoir focaliser le faisceau dans toutes les directions. On a en tout, dans ACO, 4 triplets.
5 – Ligne de lumière
TRANSCRIPTION
Je vous invite maintenant à tourner dans le sens des aiguilles d’une montre autour d’ACO, jusqu’à ce que vous voyiez au-dessus de vos têtes, la coupe transverse d’un tube partant d’un des dipôles jusqu’à une petite pièce située un peu plus loin. Ce dispositif est ce que l’on appelle une ligne de lumière. Quand des particules chargées suivent une trajectoire courbe, elles perdent de l’énergie sous forme d’un rayonnement lumineux, appelé rayonnement synchrotron. Cette lumière, qui peut être très intense lorsque beaucoup de particules sont stockées, se situe dans une large gamme de longueurs d’onde, allant de l’infrarouge jusqu’aux rayons X. Pour la physique des particules, ce rayonnement est problématique car il entraîne une perte d’énergie du faisceau. Mais pour d’autres domaines scientifiques, comme par exemple la physique des solides ou la biologie, le rayonnement synchrotron peut être utilisé pour sonder la structure de la matière, à une échelle atomique ou moléculaire. Le rôle de la ligne de lumière est donc de guider ce rayonnement, du dipôle dans lequel il est émis, jusqu’à une zone d’expérimentation située un peu plus loin où il sera utilisé.
6 – Cavité radiofréquence
TRANSCRIPTION
Je vous invite maintenant à faire quelques pas et à regarder sur votre droite. Vous vous tenez devant ce que l’on appelle une cavité radiofréquence, aussi appelée cavité accélératrice. Le rôle de cette cavité est d’augmenter l’énergie des particules stockées en utilisant un champ électrique. Ce champ électrique oscille à une fréquence de 27 MHz, c’est-à-dire qu’il change successivement de sens 27 millions de fois par seconde. Cette fréquence d’oscillation, qui se situe dans la gamme des ondes radio, correspond à deux fois la fréquence de passage des particules dans la cavité. Quand une particule traverse un champ électrique, la direction dans laquelle elle est accélérée dépend de sa charge. Si la particule est chargée positivement, elle va être accélérée dans la direction du champ électrique mais si elle est chargée négativement, elle va être accélérée dans la direction opposée. De ce fait, puisque les électrons et les positrons, qui arrivent en sens inverse, vont traverser la cavité en même temps, ils vont être accélérés simultanément chacun dans la direction qui convient et ainsi une seule cavité permet d’accélérer simultanément deux types de particules de charges opposés.
7 – Hublot
TRANSCRIPTION
Je vous invite à présent à continuer de tourner autour d’ACO, dans le sens des aiguilles d’une montre, jusqu’à avoir fait un quart de tour. Si vous levez la tête, vous devriez être en mesure d’apercevoir des cylindres jaunes posés sur des supports rouges. Il s’agit d’une partie du système permettant de vérifier le comportement des particules stockées dans l’anneau. Dans ces cylindres se trouve une caméra qui, grâce à un miroir à 45°, reçoit de la lumière en provenance d’un hublot de saphir disposé à la sortie du dipôle. De manière analogue aux hublots d’un bateau à travers lesquels on peut voir ce qu’il se passe à l’intérieur, ces hublots nous permettent d’observer les faisceaux et de vérifier leur bonne qualité. Ces hublots fonctionnent en utilisant le principe du rayonnement synchrotron, une lumière émise lorsque des particules chargées suivent une trajectoire courbe. Cette lumière est récoltée par la caméra et on obtient ainsi une image indirecte du faisceau, ce qui nous permet de vérifier son intensité et sa stabilité.
8 – Pompe à vide
TRANSCRIPTION
Si vous regardez juste au-dessus de l’anneau, vous pouvez apercevoir l’un des systèmes cruciaux d’ACO : l’une de ses pompes à vide. Dans un accélérateur de particules, le vide est primordial. En effet, si on faisait circuler un faisceau de particules dans un gaz comme l’air par exemple, ces particules trouveraient sur leur passage de nombreuses molécules avec lesquelles elles rentreraient en collision. En quelques secondes, le faisceau aurait complètement disparu. Il faut donc recourir à différents systèmes de pompage pour diminuer la pression jusqu’à 10-13 bar, soit un dix millionième de millionième de fois la pression atmosphérique. C’est ce que l’on appelle l’ultra-vide.
9 – Détecteur
TRANSCRIPTION
Je vous invite à effectuer à nouveau un quart de tour autour d’ACO dans le sens des aiguilles d’une montre, pour vous retrouver face à une reproduction fidèle du détecteur d’ACO dans sa première période de fonctionnement. Par annihilation entre les électrons et les positrons au moment de la collision, de nouvelles particules sont créées. Grâce à cet appareil que vous pouvez voir, composé de 4 chambres à étincelles, on peut retracer la trajectoire de ces nouvelles particules et ainsi obtenir des informations sur ce qu’il s’est passé lors de la collision. Les particules chargées créées par interaction vont passer dans ces chambres à étincelles et ioniser le gaz qu’elles contiennent, c’est-à-dire qu’elles vont arracher des électrons au gaz qui va devenir plus conducteur. Une haute tension est ensuite appliquée entre les différentes plaques d’acier que vous pouvez voir. Au passage d’une particule, il va se produire un claquage électrique, c’est-à-dire qu’une étincelle va se former entre les plaques le long de la trajectoire là où le gaz a été ionisé. Un système photographique automatique permet ensuite de récupérer l’information sur cette trajectoire.