Le projet anti protons

Pour revenir aux expériences de collisions protons-antiprotons réali-sées au CERN, il est bon de faire un petit rappel à propos du projet anti-protons. Pour les lecteurs intéressés par le synchrotron à protons (PS), le Super Synchrotron à protons (SPS) et les anneaux de stockage à techni-ques particulières, fruit des travaux de ces toutes dernières années. D'abord création d'antimatière (antiprotons) refroidissement du faisceau

d'antipro-tons et accumulation de ces antiparti-cules (fig. 1 ).

Les protons, qu'il est facile d'obte-nir en dépouillant l'atome d'hydro-gène de son électron, sont des parti-cules extrêmement stables. Les antiprotons sont la contrepartie en antimatière des protons : s'ils ont la même masse, leurs propriétés (comme la charge électrique) sont l'in-verse de celles des protons. Il n'y a pas d' antiprotons dans notre environ-nement immédiat mais il en existe peut-être ailleurs dans l'univers, dans un monde constitué d'antimatière.

Ces particules doivent être créées arti-ficiellement dans les accélérateurs.

Des particules très diverses émergent des collisions

Pour obtenir une luminosité élevée, il faut rassembler un grand nombre de particules dans chacun des faisceaux en collision et comprimer les fais-ceaux de manière que les particules soient regroupées avec une densité

Des faisceaux intenses d'antiprotons sont 1 N I r.=======,i =~~i~i~sn:⁰n°~uvelle

L.:J Anlidperotons_ accélération avant Protons de

haute énergie Les techniques d'entrer en collision.

basse energ1e de refroidissement

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ELECTRONIQUE APPLICATIONS N° 31 - PAGE 59

Fig. 3 - Le stockage d'antiprotons pour créer un faisceau de densité élevée convenant pour l'accélération et les collisions est réalisé dans cet accumulateur d'antiprotons (doc. CERN).

CRISTAL

ATOME ^NOYAU PARTICULES

SUBELEMENTAIRES

MOLECULE ATOMIQUE ELEMENTAIRES

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élevée lorsque les faisceaux se croi-sent. C'est l'invention du « refroidisse-ment de faisceau » qui a permis d'utili-ser des antiprotons dans de tels faisceaux.

Cette technique doit son nom à la relation qui unit la température et l'énergie des particules: plus la tem-pérature d'un corps est élevée, plus grandes sont les énergies des particu-les. Cependant, la notion de refroidis-sement de faisceau ne se réfère pas à

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un processus dans lequel toutes les énergies des particules du faisceau sont réduites (de manière à obtenir un faisceau refroidi) mais à une concen-tration de toutes les énergies des par-ticules autour d'une valeur particu-lière. C'est la variation des énergies par rapport à cette valeur qui est « re-froidie».

Les antiprotons sont produits dans la collision de protons sur une cible avec des taux relativement faibles ; il

faut ordinairement environ un million de protons pour produire un seul anti-proton. De plus, les antiprotons peu-vent émerger avec des impulsions (la masse multipliée par la vitesse) très diverses, alors que les systèmes ma-gnétiques d'une ligne de transfert de faisceau, d'un accélérateur ou d'un anneau de stockage sont conçus pour prendre en charge des particules d'une impulsion déterminée (en fait, ils peuvent s'accommoder de légères va-riations par rapport à la valeur nomi-nale). Comme des particules d'impul-sions différentes sont déviées sur des orbites de rayons différents dans un champ magnétique, seuls les antipro-tons dont l'impulsion est égale ou très proche de la valeur nominale seront guidés par les aimants et conservés dans le faisceav. Les autres se disper-seront dans les parois de la chambre à vide où circule le faisceau.

L'invention du refroidissement de faisceau permet de concentrer autour d'une impulsion particulière un fais-ceau d'antiprotons caractérisé

initiale-ment par une gamme d'impulsions

très étendue et de constituer ainsi un

c __ ; _____ ^J

On effectue un prérefroidissement.

[

c J

La seconde impulsion est injectée 2,2 secondes plus tard.

J

La 2e impulsion est accumulée après prérefroidissement.

J

[ _______ ^]

Après 50 impulsions, l'intensité est de 10⁹

p.

[ ^{C ·:. ,.:} - •J

Après 1 h, un noyau se forme dans le faisceau accumulé.

C

[

Les pqui subsistent forment le début du noyau suivant.

Fig. 4. - Schémas résumant les opérations d'accumulation et de refroidissement dans l'accumula-teur d'antiprotons (doc. CERN).

faisceau dense qui sera pris en charge par des systèmes magnétiques.

En 1966, à l'Institut d'études nu-cléaires de Novossibirsk, en Union so-viétique, on avait proposé une techni-que de refroidissement conçue spécialement pour obtenir des fais-ceaux intenses d'antiprotons en vue d'expériences de collisions de fais-ceaux. Cette technique comporte l'utilisation d'un faisceau d'électrons se déplaçant le long du faisceau d'an-tiprotons à la même vitesse. Le fais-ceau d'électrons, bien plus facile à contrôler, se compose de particules ayant exactement l'impulsion

recher-chée. Lors des collisions avec les élec-trons qui se produisent dans les fais-ceaux combinés, les antiprotons transfèrent de l'impulsion aux élec-trons de telle manière que les impul-sions de ces antiprotons soient conventrées autour de la valeur sou-haitée.

Cette idée du « refroidissement par électrons », essayée avec succès à Novossibirsk en 1975, fut reprise par la suite au CERN et au Laboratoire Fermi (Etats-Unis). Au CERN cepen-dant, une méthode différente, appelée

« refroidissement stochastique » et in-ventée en 1968, s'est révélée mieux

adaptée au projet antiproton de ce laboratoire. Le développement du re-froidissement par électrons n'a donc pas été poursuivie au CERN.

Le mot « stochastique » signifie aléatoire : le refroidissement stochas-tique opère en diminuant le mouve-ment aléatoire des particules d'un faisceau pour qu'elles se concentrent autour de la valeur recherchée. Il avait été inventé initialement pour améliorer la densité (et par conséquent la lumi-nosité) des faisceaux dans les ISR du CERN.

La distribution des particules dans une section du faisceau est observée dans des « stations de détection » sur l'anneau et permet de calculer le cen-tre de gravité de la densité du fais-ceau. Lorsqu'elle continue à circuler dans l'anneau, la même section du faisceau est soumise à un champ électrique qui déplace le centre de gravité mesuré pour le rapprocher de la valeur souhaitée. Du fait de la distri-bution aléatoire des particules dans le faisceau, ce déplacement agit défavo-rablement sur certaines d'entre elles en les éloignant davantage de la va-leur souhaitée, mais favorablement sur la majorité. En répétant l'opération plusieurs millions de fois, on refroidit progressivement le faisceau et on ob-tient l'effet recherché.

Cette technique fut démontrée pour la première fois avec succès aux ISR en 1975. On décida alors de cons-truire un petit anneau de stockage, appelé ICE (Initial Cooling Experi-ment : expérience initiale de refroidis-sement) et destiné spécialement à l'étude des refroidissements stochasti-ques et par électrons. Les résultats obtenus avec ICE, en particulier dans le domaine du refroidissement sto-chastique, furent spectaculaires et, en

1978, le CERN était à même de don-ner le feu vert à son projet antiproton.

On était, en effet, persuadé d'obtenir, pour la première fois, des faisceaux d'antiprotons d'une intensité et d'une densité capables de permettre des ex-périences avec des faisceaux de pro-tons et d'antipropro-tons en collision.

Les expériences avec ICE ont confirmé autre chose. Selon les lois actuelles de la physique, les antipro-tons seraient aussi stables que les protons, qui ont une durée de vie de 1Q30 ans (à moins qu'ils ne soient éter-nels). Il n'avait cependant jamais été possible de vérifier la stabilité des an-tiprotons avant qu'on les eût stockés pendant de nombreuses heures. Les expériences ICE ont établi que la durée de vie de ces particules était ELECTRONIQUE APPLICATIONS N° 31 - PAGE 61

Fig. 5. - Le détecteur UA-1 en cours d'assemblage. Cet appareillage, de plus de 2 000 tonnes, est déplacé sur rails jusqu'à son emplacement final (doc.

CERN).

QUARKS LEPTONS

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Tableau 2. - Le système périodique des particules élémentaires.

suffisamment longue pour que le pro-jet antiproton soit réalisable.

Le rôle de l'accumulateur