Vers des accélérateurs à particules plus compacts

Les accélérateurs de particules sont des appareils qui permettent avant toute chose d’étudier la matière : les atomes et les particules qui le constituent (protons, neutron, électrons et quarks). Ils sont ainsi utilisés en physique nucléaire, en physique atomique et en physique des matériaux.

Mais d’autres domaines utilisent les accélérateurs de particules : les accélérateurs linéaires peuvent par exemple produire les rayons utilisés en radiothérapie. Des accélérateurs sont aussi utilisés dans l’irradiation des aliments, dans certains procédés de stérilisation.

Il s’agit néanmoins généralement d’engins de taille imposante. Par exemple, le synchrocyclotron d’Orsay, utilisé de 1956 à 1990 en physique nucléaire puis au Centre de protonthérapie [1] d’Orsay, ne pèse pas moins de 900 tonnes [2].

Des équipes de scientifiques et d’ingénieurs cherchent donc à réduire la taille de ces équipements. C’est le cas du laboratoire américain Fermilab, qui a récemment mis au point une nouvelle technique de refroidissement des cavités supraconductrices des accélérateurs.

Ces cavités sont des enceintes métalliques dotées d’un champ magnétique. Les particules chargées qui y pénètrent reçoivent une impulsion électrique qui les fait accélérer.

Les cavités supraconductrices utilisées dans les grands accélérateurs sont généralement refroidies aux alentours de 2 kelvins (-271.15 °C). Elles sont traditionnellement immergées dans de l’hélium liquide, que l’on pompe pour abaisser sa pression et sa température. Cela nécessite des systèmes cryogéniques volumineux et complexes, ce qui limite la portabilité et donc les applications possibles pour les accélérateurs.

La méthode développée par Fermilab utilise des cryoréfrigérateurs. De l’hélium, sous sa forme gazeuse, est comprimé et détendu dans un échangeur de chaleur régénératif en cycle fermé. Cela permet de rendre le système plus compact qu’un équipement standard utilisant de l’hélium liquide.

Ce type de recherches pourrait permettre d’élargir le champ d’application des accélérateurs de particules.

[1] La protonthérapie est une forme de radiothérapie visant à détruire les cellules cancéreuses en les irradiant avec un faisceau de protons.

[2] Lien