Le grand collisionneur de hadrons du laboratoire du CERN a fait son chemin dans la culture populaire: le comédien Jon Stewart en plaisante sur The Daily Show, le personnage de Sheldon Cooper en rêve dans The Big Bang Theory et des méchants fictifs lui volent de l’antimatière fictive dans Angels & Demons.

Malgré leur augmentation de popularité, les accélérateurs de particules ont encore des secrets à partager. Avec l’aide de scientifiques de laboratoires et d’institutions du monde entier, Symmetry a compilé une liste de 10 choses que vous ne savez peut-être pas sur les accélérateurs de particules.

Il existe plus de 30 000 accélérateurs en service dans le monde.

Les accélérateurs sont partout, effectuant une variété de tâches. Ils sont peut-être mieux connus pour leur rôle dans la recherche en physique des particules, mais leurs autres talents incluent: la création de faisceaux destructeurs de tumeurs pour combattre le cancer; tuer les bactéries pour prévenir les maladies d’origine alimentaire; développer de meilleurs matériaux pour produire des couches et des emballages rétractables plus efficaces; et aider les scientifiques à améliorer l’injection de carburant pour rendre les véhicules plus efficaces.

L’un des plus anciens les bâtiments du monde ont été construits pour un accélérateur de particules.

Les accélérateurs linéaires, ou linacs, sont conçus pour projeter un faisceau de particules en ligne droite. En général, plus le linac est long, plus le poinçon de particules est puissant. L’accélérateur linéaire du SLAC National Accelerator Laboratory, près de San Francisco, est le plus grand de la planète.

La galerie klystron du SLAC, un bâtiment qui abrite des composants qui alimentent l’accélérateur, se trouve au sommet de l’accélérateur. C’est l’un des bâtiments modernes les plus longs du monde. Dans l’ensemble, il fait un peu moins de 3 km de long, une fonctionnalité qui incite les employés du laboratoire à organiser une course annuelle autour de son périmètre.

Les accélérateurs de particules sont les choses les plus proches des machines à remonter le temps, selon Stephen Hawking.

En 2010, le physicien Stephen Hawking a écrit un article pour le journal britannique Daily Mail expliquant comment il est possible de voyager dans le temps. Nous aurions juste besoin d’un accélérateur de particules assez grand pour accélérer les humains comme nous accélérons les particules, a-t-il dit.

Un accélérateur de personnes doté des capacités du grand collisionneur de hadrons déplacerait ses passagers à une vitesse proche de lumière. En raison des effets de la relativité restreinte, une période de temps qui semblerait à quelqu’un extérieur à la machine durer plusieurs années semblerait aux passagers qui accélèrent ne durer que quelques jours. Au moment où ils quitteraient le LHC, ils seraient plus jeunes que nous.

Hawking ne proposait pas vraiment d’essayer de construire une telle machine. Mais il soulignait une façon dont le voyage dans le temps se produit déjà aujourd’hui. Par exemple, les particules appelées mésons pi sont normalement de courte durée; ils se désintègrent après seulement un millionième de seconde. Mais quand ils sont accélérés à presque la vitesse de la lumière, leur durée de vie augmente considérablement. Il semble que ces particules voyagent dans le temps, ou du moins connaissent le temps plus lentement par rapport aux autres particules.

La température la plus élevée enregistrée par un appareil artificiel a été obtenue dans un accélérateur de particules.

En 2012, le collisionneur d’ions lourds relativistes du Brookhaven National Laboratory a réalisé un Guinness World Record pour la production de la température artificielle la plus chaude du monde, un incroyable 7,2 billions de degrés Fahrenheit. Mais le laboratoire basé à Long Island a fait plus que réchauffer les choses. Il a créé une petite quantité de plasma quark-gluon, un état de la matière qui aurait dominé les premiers instants de l’univers. Ce plasma est si chaud qu’il provoque la rupture de particules élémentaires appelées quarks, qui n’existent généralement dans la nature que liées à d’autres quarks.

Les scientifiques du CERN ont depuis créé un plasma de quarks-gluons, à une température encore plus élevée, dans le grand collisionneur de hadrons.

L’intérieur du grand Le collisionneur de hadrons est plus froid que l’espace.

Afin de conduire l’électricité sans résistance, les électroaimants du grand collisionneur de hadrons sont refroidis à des températures cryogéniques. Le LHC est le plus grand système cryogénique au monde, et il fonctionne à une température glaciale de moins 456,3 degrés Fahrenheit. C’est l’un des endroits les plus froids de la planète, et il fait même quelques degrés plus froid que l’espace extra-atmosphérique, qui a tendance à se reposer à environ moins 454,9 degrés Fahrenheit.

La nature produit des accélérateurs de particules bien plus puissants que tout ce qui est fabriqué sur Terre.

Nous pouvons construire des accélérateurs de particules assez impressionnants sur Terre, mais quand il s’agit d’atteindre des énergies élevées, nous n’avons rien sur les accélérateurs de particules qui existent naturellement dans l’espace.

Le rayon cosmique le plus énergétique jamais observé était un proton accéléré à une énergie de 300 millions de milliards d’électrons. Aucune source connue dans notre galaxie n’est assez puissante pour avoir provoqué une telle accélération. Même l’onde de choc de l’explosion d’une étoile, qui peut envoyer des particules voler beaucoup plus fort qu’un accélérateur artificiel, n’a pas assez de punch. Les scientifiques étudient toujours la source de ces rayons cosmiques à très haute énergie.

Particule les accélérateurs n’accélèrent pas seulement les particules; ils les rendent également plus massifs.

Comme Einstein l’a prédit dans sa théorie de la relativité, aucune particule qui a une masse ne peut voyager aussi vite que la vitesse de la lumière – environ 186 000 miles par seconde. Peu importe la quantité d’énergie que l’on ajoute à un objet avec une masse, sa vitesse ne peut pas atteindre cette limite.

Dans les accélérateurs modernes, les particules sont accélérées à très près de la vitesse de la lumière. Par exemple, l’injecteur principal du Laboratoire national d’accélérateur Fermi accélère les protons à 0,99997 fois la vitesse de la lumière. À mesure que la vitesse d’une particule se rapproche de plus en plus de la vitesse de la lumière, un accélérateur donne de plus en plus de son ampleur à l’énergie cinétique de la particule.

Puisque, comme nous l’a dit Einstein, l’énergie d’un objet est égale à sa masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré (E = mc2), l’ajout d’énergie augmente en effet également la masse des particules. Dit autrement: là où il y a plus de «E», il doit y avoir plus de «m». Lorsqu’un objet dont la masse approche, mais n’atteint jamais, la vitesse de la lumière, sa masse effective devient de plus en plus grande.

Le diamètre du premier accélérateur circulaire était inférieur à 5 pouces; le diamètre du grand collisionneur de hadrons est supérieur à 5 miles.

En 1930, inspiré par les idées de l’ingénieur norvégien Rolf Widerøe, le physicien de 27 ans Ernest Lawrence a créé le premier accélérateur de particules circulaire à l’Université de Californie à Berkeley, avec l’étudiant diplômé M. Stanley Livingston. Il accéléra les ions hydrogène jusqu’à des énergies de 80 000 électronvolts dans une chambre de moins de 5 pouces de diamètre.

En 1931, Lawrence et Livingston se mirent à travailler sur un accélérateur de 11 pouces. La machine a réussi à accélérer les protons à un peu plus d’un million d’électronvolts, un fait que Livingston a rapporté à Lawrence par télégramme avec le commentaire ajouté, « Whoopee! » Lawrence a ensuite construit des accélérateurs encore plus grands et a fondé les laboratoires Lawrence Berkeley et Lawrence Livermore.

Les accélérateurs de particules ont parcouru un long chemin depuis lors, créant des faisceaux de particules plus brillants avec des énergies plus importantes qu’on ne l’imaginait auparavant. Le grand collisionneur de hadrons du CERN mesure plus de 5 miles de diamètre (17 miles de circonférence). Après les mises à niveau de cette année, le LHC sera en mesure d’accélérer les protons à 6,5 billions d’électrons.

Dans les années 1970, des scientifiques du Fermi National Accelerator Laboratory ont employé un furet nommé Felicia pour nettoyer les pièces de l’accélérateur.

De 1971 à 1999, le laboratoire Meson du Laboratoire Fermi a joué un rôle clé dans les expériences de physique des hautes énergies du laboratoire. Pour en savoir plus sur les forces qui maintiennent notre univers ensemble, les scientifiques y ont étudié des particules subatomiques appelées mésons et protons. Les opérateurs enverraient des faisceaux de particules à partir d’un accele rator au laboratoire Meson via une ligne de faisceau souterraine de plusieurs kilomètres.

Pour s’assurer que des centaines de mètres de tuyauterie à vide étaient exempts de débris avant de les connecter et d’allumer le faisceau de particules, le laboratoire a demandé l’aide d’un Felicia le furet.

Les furets ont une affinité pour creuser et grimper dans les trous, ce qui en fait l’espèce parfaite pour ce travail. La tâche de Felicia était de tirer un chiffon trempé dans une solution de nettoyage sur une ficelle à travers de longues sections de tuyau.

Bien que le travail de Felicia ait finalement été repris par un robot spécialement conçu, elle a joué un rôle unique et vital dans la construction processus — et en retour demandé seulement un régime régulier de foies de poulet, de têtes de poisson et de viande de hamburger.

Les accélérateurs de particules apparaissent dans des endroits improbables.

Les scientifiques ont tendance à construire de gros accélérateurs de particules sous terre. Cela les protège contre les chocs et la déstabilisation, mais peut aussi les rendre un peu plus difficiles à trouver.

Par exemple, les automobilistes qui descendent l’Interstate 280 dans le nord de la Californie peuvent ne pas le remarquer, mais l’accélérateur principal du SLAC National Accelerator Laboratory fonctionne sous terre juste sous leurs roues.

Les habitants des villages de la campagne franco-suisse vivent au sommet du collisionneur de particules le plus énergétique du monde, le grand collisionneur de hadrons.

Et pendant des décennies, les équipes de l’Université Cornell ont joué soccer, football et crosse sur Robison Alumni Fields 40 pieds au-dessus de l’anneau de stockage d’électrons Cornell, ou CESR. Les scientifiques utilisent l’accélérateur de particules circulaire pour étudier des faisceaux de particules compacts et pour produire de la lumière aux rayons X pour des expériences en biologie, en science des matériaux et en physique.