Introduction
L'histoire des accélérateurs de particules en France est une saga riche en innovations et en découvertes. Des premiers prototypes rudimentaires aux installations de pointe actuelles, la France a joué un rôle crucial dans le développement de cette technologie essentielle à la recherche en physique nucléaire et en physique des particules. Cet article explore les étapes clés de cette évolution, en mettant en lumière les personnalités marquantes, les institutions pionnières et les avancées technologiques qui ont façonné ce domaine.
Les Pionniers et les Premiers Accélérateurs
Frédéric et Irène Joliot-Curie : Les Précurseurs
Dans les années 1930, Frédéric et Irène Joliot-Curie, récents lauréats du prix Nobel de chimie en 1935, se lancent dans la synthèse atomique. Pour mener à bien leurs recherches, ils mettent au point dans leur laboratoire Ampère à Ivry-sur-Seine un générateur de haute tension de type Marx à 20 étages. Cet ancêtre des premiers accélérateurs de particules français, culminant à près de 18 mètres de hauteur et atteignant une tension de 3 MV, fut une attraction phare de l'exposition universelle de 1937 à Paris.
Le Premier Cyclotron Français
En 1937, Frédéric Joliot, nouvellement nommé professeur au Collège de France, ambitionne de doter son laboratoire d'un cyclotron, une machine compacte et révolutionnaire permettant d'atteindre des énergies bien supérieures aux générateurs de haute tension. Il sollicite l'aide d'Ernest O. Lawrence, l'inventeur des premiers cyclotrons à Berkeley, qui lui fournit les plans nécessaires. Le premier cyclotron français est ainsi construit à Zurich, puis installé dans le sous-sol d'un bâtiment du Collège de France en 1939. Ce cyclotron, qui produira ses premiers protons de 7 MeV pendant la guerre, fonctionnera jusqu'en 1958 au Collège de France, puis à Orsay jusqu'en 1966.
L'Accélérateur Cockcroft-Walton de Strasbourg
L'un des plus anciens accélérateurs de particules au monde se trouvait à Strasbourg. Il s'agissait d'un accélérateur de type Cockcroft-Walton, du nom de ses inventeurs, qui avaient mis au point le premier prototype en 1932 et reçu le prix Nobel en 1951. Installé par la société Philips à la demande des Allemands en 1944, il fut utilisé quelques dizaines d'heures pour la production d'isotopes à des fins d'expérimentation médicale. Remis en service à la fin des années 1940, il sera le point de départ du Centre de Recherche Nucléaire (CRN) de Strasbourg (futur IPHC), qui ouvrira ses portes en 1959.
Les Limites des Premiers Accélérateurs
Les Cockcroft-Walton, bien que novateurs, se sont rapidement avérés limités en termes de tension (autour de 1 MV) en raison des claquages électriques. Cette limitation sera repoussée grâce aux accélérateurs électrostatiques de type Van de Graaff, qui utilisent une courroie isolante pour transporter la charge vers le terminal haute tension, ainsi qu'un tube accélérateur rempli de gaz comprimé isolant, permettant d'atteindre des tensions de l'ordre de la dizaine de MV.
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La Création du CERN et l'Essor des Accélérateurs Français
La Genèse du CERN
En décembre 1949, lors de la Conférence Européenne sur la Culture à Lausanne, le physicien français et prix Nobel Louis de Broglie propose la création d'un grand laboratoire européen pour la science. Cette idée prend forme lors d'une réunion intergouvernementale de l'UNESCO à Paris en décembre 1951, où la première résolution concernant la création d'un Conseil européen pour la recherche nucléaire est adoptée. En 1954, la France, avec le soutien de Pierre Mendès France, décide de participer à la mise en œuvre du laboratoire européen pour la recherche nucléaire, le CERN.
Le CERN : Un Tournant Majeur
La création du CERN est un événement clé qui déterminera le paysage de la discipline à très long terme, préfigurant la création de l'IN2P3 17 ans plus tard. Les premiers travaux pour la construction du laboratoire et de ses accélérateurs commencent en mai 1954. En 1957, un synchro-cyclotron à protons de 600 MeV est mis en service. Basé sur le principe du cyclotron, le synchro-cyclotron permet d'atteindre des énergies plus élevées en diminuant progressivement la fréquence du champ électrique pour compenser le gain de masse des particules. Il fonctionnera jusqu'en 1990. Toujours sur ce même principe mais en faisant varier également le champ magnétique des aimants pour conserver une trajectoire circulaire, le premier grand accélérateur du CERN est conçu quelques années plus tard : un Synchrotron à Protons de 670 mètres de circonférence, le PS, capable d'atteindre 20 GeV.
Le Développement des Accélérateurs en France
Pendant l'instruction du dossier du CERN en 1954 par l'Assemblée Nationale, Irène Joliot-Curie souligne que la participation des scientifiques français ne pourrait être significative que si elle repose sur des accélérateurs modernes et performants dans les laboratoires français. Le site d'Orsay est choisi pour la construction de deux nouveaux laboratoires : un accélérateur linéaire d'électrons pour les équipes du laboratoire de physique de l'Ecole Normale Supérieure, et un synchro-cyclotron à protons pour les équipes du Laboratoire Curie de l'Institut du Radium. Une équipe d'ingénieurs accélérateurs est mise en place dès 1955 pour assurer la réalisation de ces machines, qui produiront des gammes de faisceaux complémentaires à ceux du CERN.
Les Accélérateurs du CEA à Saclay
Côté CEA, le site pour un nouveau grand centre avait déjà été choisi quelques années auparavant : le CEN du plateau de Saclay ouvre en 1952. L'accélérateur choisi pour le CEA sera un synchrotron à protons de 3 GeV, SATURNE, afin de couvrir le domaine d'énergies intermédiaires entre les deux machines du CERN. La décision de construire SATURNE est prise en 1955, et le synchrotron entrera en service en 1958. Pour les besoins de la physique nucléaire, le CEA se dotera aussi, en 1969, de l'Accélérateur Linéaire de Saclay (ALS), qui délivrera son dernier paquet d'électrons en 1990.
Le Synchrocyclotron d'Orsay
Les protons accélérés par le synchrocyclotron d'Orsay ont une longueur d'onde associée de l'ordre de grandeur du rayon d'un noyau léger, ce qui en fait une sonde idéale pour explorer le cœur de la matière. Frédéric Joliot, qui assure la direction de l'IPN Orsay depuis le décès d'Irène en 1956, participe à la mise en service du synchro-cyclotron à protons de 160 MeV. Robert Klapisch et René Bernas y connecteront en 1965 un séparateur de masse en ligne (Isocele), qui constituera le premier système ISOL en France. Cet accélérateur sera utilisé jusqu'en 1990, avant d'être cédé au Centre de Protonthérapie d'Orsay.
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Le Cyclotron à Ions Lourds d'Orsay
En 1957, Frédéric Joliot décide également que le cyclotron à ions lourds (CEV), imaginé par Irène quelques années auparavant, sera construit. Il commande l'électro-aimant de la machine à la société Philips, mais le projet est ensuite mis en sommeil.
L'Accélérateur Linéaire d'Orsay (LAL)
Un Pari Réussi
Après un premier faisceau d'électrons de 3 MeV obtenu en 1958, la construction des étages de l'accélérateur linéaire radio-fréquence du LAL se poursuit sous la direction de Hans Von Halban. Un premier faisceau de 165 MeV est obtenu en 1960, puis en 1964 l'énergie de 1.3 GeV est atteinte, ce qui constitue alors un record mondial. Cette solution du 'linac' s'avère très modulable et très efficace pour produire des particules ultra-relativistes de haute énergie avec des courants intenses, sans souffrir des nuisances provoquées par le rayonnement synchrotron des machines circulaires.
Les Anneaux de Collisions
En parallèle, au laboratoire National de Frascati à l'INFN, Bruno Touschek lance en 1960 le premier projet mondial d'anneau de collisions électrons/positons AdA. Après avoir réussi à faire circuler dans la même machine électrons et positons simultanément, la décision est prise en 1962 de déménager AdA à Orsay afin de mettre en évidence des collisions en bénéficiant de la forte intensité du linac. Des expériences historiques de physique des anneaux collisionneurs sont alors entreprises, et les premières collisions au monde entre électrons et positons sont réalisées en 1963.
La Violation de la Symétrie CP
L'étude des désintégrations des kaons neutres a permis en 1964 à J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch et René Turlay (Saclay) d'établir la violation de la symétrie CP dans une expérience à Brookhaven. Cette symétrie CP est essentielle pour relier la matière et l'antimatière, et les violations de cette symétrie pourraient avoir un rôle dans la disparition de l'antimatière de notre univers.
ACO : Un Accélérateur Pionnier
ACO entre en service en 1965 et produit ses premières collisions en 1967. Avec une énergie allant de 250 à 550 MeV par faisceau, ACO est le premier accélérateur au monde, avec celui de Novosibirsk en Sibérie, à pouvoir effectuer des collisions électrons positons à une énergie suffisante pour provoquer leur annihilation. Son utilisation pour la physique des particules durera jusqu'en 1975. ACO fut aussi le premier accélérateur européen ayant utilisé le rayonnement synchrotron pour des expériences de physique.
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Les Applications Interdisciplinaires des Accélérateurs
La Spectrométrie de Masse en Ligne
S'appuyant sur des plateformes d'irradiation innovantes, plusieurs études interdisciplinaires ont vu le jour dès les années 1960. En 1965, une nouvelle technique, la spectrométrie de masse en ligne sur faisceau d'accélérateur, est mise en place au CSNSM à Orsay. Elle ouvre notamment la voie à la datation par isotopes cosmogéniques.
La Datation par Isotopes Cosmogéniques
La sensibilité de la méthode s'améliore, et plusieurs laboratoires se lancent dans la datation de petits échantillons, via le carbone 14 ou le béryllium 10 ou le chlore 15. Cette technique permet de couvrir des datations sur des périodes non couvertes par les méthodes de datation classiques. Elle est ainsi appliquée à la datation des pluies, des glaces antarctiques et des sédiments marins pour retracer l'histoire de la Terre jusqu'à 15 millions d'années.
L'Origine des Éléments Légers
Les premières expériences de spectrométrie de masse menées au CSNSM permettent de démontrer que l'origine des éléments légers (Li, Be et B) est postérieure au Big Bang et qu'elle est liée au bombardement de la matière interstellaire par le rayonnement cosmique galactique. En parallèle, le laboratoire s'implique également dans les premières études des poussières du régolithe lunaire.