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Antiproton Decelerator

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Qu'est-ce que le AD

The antiproton factory produces low energy antiprotons needed for a range of studies, including the synthesis of antihydrogen atoms - the creation of antimatter.

Qu'est-ce que le AD ?

 
Le Décélérateur d'Antiprotons est une machine très particulière comparée à ce qui existe déjà au CERN et dans d'autres laboratoires dans le monde. Jusqu'à présent, une "usine à antiparticules" consistait en une chaîne de plusieurs accélérateurs, chacun accomplissant l'une des étapes nécessaires à la production d'antiparticules. Le complexe à antiprotons du CERN en est un bon exemple.
 
A la fin des années 70, le CERN construisit une source d'antiprotons appelée l'Accumulateur d'Antiprotons (AA). Sa tâche était de produire et accumuler des antiprotons de haute énergie pour alimenter le SPS de manière à le transformer en "collisionneur proton-antiproton".



Dès que des antiprotons furent disponibles, les physiciens réalisèrent combien ils pourraient apprendre en les utilisant à basse énergie. C'est pourquoi le CERN décida de construire une nouvelle machine : LEAR, l'anneau à antiprotons de basse énergie (Low Energy Antiproton Ring). Des antiprotons accumulés dans le AA étaient extraits, décélérés dans le PS et finalement injectés dans LEAR pour une décélération supplémentaire. En 1986, un second anneau, le Collecteur d'antiprotons (AC), fut construit autour du AA existant pour augmenter le taux de production d'antiprotons d'un facteur 10.

Le AC a désormais été transformé en AD qui accomplit toutes les tâches que AC, AA, PS et LEAR accomplissaient avec les antiprotons, c'est-à-dire les produire, les rassembler, les refroidir, les décélérer et finalement les extraire vers les expériences.

En quoi consiste le AD ?

 
L'anneau du AD est approximativement un cercle d'une circonférence de 188 m. Il consiste en une chambre à vide entourée d'une longue séquence de pompes à vide, aimants, cavités radiofréquence, instruments à haute tension et circuits électroniques. Chacune de ces pièces a sa fonction spécifique :
 
- Les antiprotons circulent à l'intérieur de la chambre à vide de manière à éviter tout contact avec la matière ordinaire (comme les molécules d'air) et de s'annihiler. Le vide doit être optimal et, dans ce but, plusieurs pompes à vide, qui extraient l'air, sont placées autour de la chambre.
 
- Des aimants sont également placés tout autour. Il y a deux types d'aimants : les dipôles (qui ont un pôle Nord et un pôle Sud, comme les aimants en fer à cheval bien connus) permettent de modifier la direction de mouvement et assurent que les particules restent sur leur trajectoire circulaire. On les appelle aussi "aimants de courbure". Des quadrupôles (qui ont quatre pôles) sont utilisés comme "lentilles". Ces "aimants de focalisation" assurent que la taille du faisceau soit inférieure à la taille de la chambre à vide.
 
- Les champs magnétiques peuvent modifier la direction et la taille du faisceau mais pas son énergie. Pour cela, il faut un champ électrique : il est fourni par les cavités radiofréquence qui produisent de hautes tensions de manière synchronisée avec la rotation des particules autour de l'anneau.
 
- Plusieurs autres instruments sont nécessaires pour accomplir des tâches plus spécifiques : deux systèmes de refroidissement "compriment" le faisceau en taille et en énergie ; un système d'injection et un système d'éjection font entrer et sortir le faisceau de la machine.

Les expériences sur le AD

 
Trois expériences sont installées dans la zone expérimentale du décélérateur d'antiprotons:
ASACUSA "Spectroscopie et collisions atomiques utilisant des antiprotons lents" ("Atomic Spectroscopy and Collisions using Slow Antiprotons") ;
ATHENA "Production d'antihydrogène et expériences de précision" ("Antihydrogen Production and Precision Experiments") ;
ATRAP "Antihydrogène froid pour spectroscopie laser de précision" ("Cold Antihydrogen for Precise Laser Spectroscopy").
 
Le but d'ATHENA et d'ATRAP est de produire de l'antihydrogène dans des pièges, en combinant les antiprotons fournis par le AD avec des positons émis par une source radioactive.
 
Des atomes d'antihydrogène ont été observé pour la première fois au CERN en 1995 et plus tard (1997) au Fermilab. Dans les deux cas, ils étaient produits en vol, ce qui signifie qu'ils se déplaçaient pratiquement à la vitesse de la lumière, c'est-à-dire beaucoup trop rapidement pour permettre des mesures précises de n'importe laquelle de leurs propriétés ! Ils générèrent des signaux électriques uniques dans les détecteurs qui les détruisirent presque immédiatement après qu'ils se soient formés.
 
Maintenant, l'idée est de produire des atomes d'antihydrogène lents et de les stocker dans des "pièges", permettant des comparaisons extrêmement précises des propriétés de l'hydrogène et de l'antihydrogène.
 
ASACUSA, d'un autre côté, synthétisera des atomes "exotiques", dans lesquels un électron est remplacé par un antiproton. On s'attend à ce que les mesures par spectroscopie laser de précision de ces atomes exotiques révèlent de nombreuses informations sur le comportement des systèmes atomiques.

Comment fonctionne le AD ?

 
Les antiparticules doivent être créées à partir d'énergie (rappelez-vous : E=mc2). Cette énergie est obtenue avec des protons qui ont auparavant été accélérés dans le PS. Ces protons sont projetés dans un bloc de métal, appelé cible. Nous utilisons des cibles de cuivre ou d'iridium, essentiellement parce qu'elles sont faciles à refroidir (mais un morceau de viande pourrait faire le même usage - simplement il rôtirait très vite et c'est plutôt salissant).
 
L'arrêt brutal des telles particules énergétiques libère une quantité énorme d'énergie dans un petit volume, le chauffant à de telles températures que des particules de matière et d'antimatière sont créées spontanément.
 
Dans environ une collision sur un million, une paire proton-antiproton est formée. Cependant, étant donné qu'environ 10 milliers de milliards de protons heurtent la cible (environ une fois par minute), cela fait toujours un bon 10 millions d'antiprotons qui prennent la direction du AD.
 
Les antiprotons fraîchement créés se comportent comme une bande d'enfants sauvages ; ils sont produits pratiquement à la vitesse de la lumière, mais tous n'ont pas exactement la même énergie (ce qu'on appelle la "dispersion en énergie" ). De plus, ils se propagent aléatoirement dans toutes les directions, tentant aussi de s'échapper "par les côtés" ("oscillations transversales"). Des aimants de courbure et de focalisation s'assurent qu'ils restent sur la bonne trajectoire, au milieu de la chambre à vide, alors qu'ils commencent à faire la course autour de l'anneau.

 
A chaque tour, les champs électriques élevés à l'intérieur des cavités radiofréquence commencent à décélérer les antiprotons. Malheureusement, cette décélération augmente la taille de leurs oscillations transversales : si on ne fait rien pour y remédier, tous les antiprotons sont perdus lorsqu'ils entrent finalement en collision avec les parois de la chambre à vide.
 
Pour éviter cela, deux méthodes ont été inventées : le "refroidissement stochastique" et le "refroidissement par électrons". Le refroidissement stochastique (ou "aléatoire") fonctionne mieux à hautes vitesses (proches de la vitesse de la lumière, c) et le refroidissement par électrons fonctionne mieux à petites vitesses (toujours rapides, mais seulement 10 à 30 % de c). Leur but est de diminuer la dispersion en énergie et les oscillations transversales du faisceau d'antiprotons.
 
Finalement, lorsque la vitesse des antiparticules a atteint environ 10% de la vitesse de la lumière, le groupe comprimé d'antiparticules (appelé un "paquet") est prêt à être éjecté. Le cycle de décélération est terminé : il a duré environ une minute.
 
Un puissant aimant à déflexion rapide est enclenché en moins d'un millionième de seconde et, au tour suivant, tous les antiprotons suivent une nouvelle trajectoire, qui les conduit dans les chambres à faisceau de la ligne d'extraction. Là, de nouveaux aimants dipolaires et quadrupolaires dirigent le faisceau vers l'une des trois expériences.