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Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, grâce à l’accélérateur LHC (le plus puissant du monde) qui fait 27 km de circonférence, les protons se percutent avec une vitesse égale à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. En réalité, les protons sont pré-accélérés dans d’autres machines plus petites avant de pénétrer dans le LHC et subir leur accélération ultime. Par ailleurs, pour diverses applications, notamment médicales, des accélérateurs de particules plus modestes sont également nécessaires pour produire certains rayonnements employés en radiothérapie.

Les particules sont accélérées à l’aide de champs électromagnétiques, un peu comme des surfeurs avançant sur leurs vagues. L’énergie des particules augmente grâce aux ondes électromagnétiques qui leur en fournissent. Souvent, ce sont des microondes qui sont employées. Or, l’énergie du photon associé à l’onde est proportionnelle à la fréquence ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Ondes plus courtes, accélérateurs plus petits

L’idée que des chercheurs de l’université de Stanford aux Etats-Unis ont poursuivie consiste justement à accélérer des électrons avec des impulsions lasers infrarouges dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1000 à 100 000 fois plus courte que les microondes. Cela signifie aussi des dimensions autant de fois plus petites. La taille d’un accélérateur comme le LHC devrait donc pouvoir être réduite à quelques dizaines de mètres, voire à moins d’un mètre. Pour le moment, les physiciens sont parvenus à accélérer des électrons à 1 keV (mille électronvolts) sur une distance de 25 micromètres. En effet, le « tube » de l’accélérateur a été dessiné sur une puce en silicium de 25 micromètres de long : il s’agit d’un sillon de 0,25 micromètre de large. C’est dans ce sillon que les électrons ont été accélérés à mille volts, grâce à 100 000 impulsions lasers par seconde traversant le sillon perpendiculairement. Afin que l’énergie des électrons atteigne 1 MeV soit 94% de la vitesse de la lumière, il faudrait mille tubes de ce type, soit une longueur de 25 mm. Compte tenu de l’exploit réalisé, les accélérateurs ultra-miniaturisés devraient voir le jour prochainement.

En savoir plus 
Sur l'utilisation des lasers pour accélérer les particules
https://home.cern/fr/news/news/physics/nobel-work-shines-light-particle-physics

Publié le 20/05/2020
 

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Joseph Fourier
250e anniversaire de la naissance du grand mathématicien français

Joseph Fourier, l'un des plus grands mathématiciens français, est né il y a 250 ans, en 1768, à Auxerre. C'est l'occasion de revenir sur les découvertes de ce génie des mathématiques et de la physique, qui sont aujourd'hui au cœur des technologies utilisées au quotidien. Ce mathématicien très précoce, professeur dès l'âge de seize ans, et plus tard enseignant à l'école Polytechnique, publie donc très tôt de nombreux travaux de recherche. Il a inspiré de nombreux chercheurs et scientifiques, de son époque jusqu'à aujourd'hui. C'est par exemple lui qui encourage Champollion dans ses travaux de déchiffrement des hiéroglyphes égyptiens.

De la chaleur aux séries de Fourier

Fourier s'intéresse très tôt au phénomène physique de propagation de la chaleur, notamment dans son traité « Théorie analytique de la chaleur ». C'est ce qui le pousse à développer des outils mathématiques tels les séries qui portent son nom. Il s'agit de sommes infinies de termes comportant des cosinus et sinus.
Fourier est l'auteur de recherches et de théorèmes sur la convergence de ces séries (c'est-à-dire le cas où ces sommes forment une fonction de x). Ces séries convergent vers des fonctions périodiques, et une technique très utilisée en ingénierie consiste à trouver les coefficients de la série de Fourier de telles fonctions. Fourier est aussi l'auteur d'un outil d'analyse, très utilisé également dans différents domaines de l'ingénierie, qui consiste à associer à une fonction périodique une autre fonction, appelée « transformée de Fourier ».

De nombreuses applications

Les applications des outils développés par Joseph Fourier sont nombreuses, et au cœur des technologies de communication modernes. Par exemple, dans le domaine du traitement du signal, notamment des signaux sonores, comme la voix, pour l'analyser (reconnaissance de la parole par une machine etc.). Mais aussi dans le traitement d'images. L'une des techniques les plus utilisées de cette discipline consiste en effet à appliquer une transformée de Fourier à chaque pixel de l'image (qui peut être approchée par une fonction périodique de la valeur d'intensité des pixels). Cela permet notamment de détecter efficacement les bordures, et donc les différents objets présents sur une image. C'est un outil très précieux pour le traitement d'images destinées à l'intelligence artificielle (véhicules autonomes par exemple), ou encore à l'imagerie numérique (I.R.M, etc.).
Les travaux de Fourier ont de plus inspiré la création de l'algorithme de « transformée de Fourier discrète », au XXe siècle. Cet algorithme est l'un des plus utilisés en compression de données, et particulièrement d'images.
Joseph Fourier est le précurseur de nombreux domaines des sciences développés bien après lui. Il s'intéressait particulièrement aux phénomènes physique liés à la chaleur, en particulier dans l'équilibre général de la Terre. Dès le début du XIXe siècle, il fut même l'un des premiers à pressentir le rôle des gaz dans ce qu'on appelle aujourd'hui l'effet de serre.

Pour en savoir plus :

 

 

Jérôme Robert
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