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Prototypes, recherche, innovation

Une démarche collaborative

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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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La foudre bat des records
Du nouveau sur le front des éclairs et de la foudre

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Les éclairs et la foudre sont parmi les phénomènes naturels les plus spectaculaires. On estime que chaque seconde l’atmosphère terrestre est traversée par une cinquantaine de ces décharges électriques. En effet, des milliers d’orages grondent en permanence sur l’ensemble de la planète. Malgré le fait que le phénomène soit étudié scientifiquement depuis le XVIIIe siècle, le mécanisme précis à travers lequel un nuage se charge électriquement avant de se décharger est mal connu. Généralement la base du nuage est chargée négativement tandis que son sommet culminant entre 10 et 15 km d’altitude l’est positivement. La plupart du temps la décharge électrique concerne la base, mais parfois c’est le sommet qui en est à l’origine. C’est dans ce cas que le phénomène est particulièrement violent, en intensité, durée et longueur. Jusqu’à récemment, le record de durée pour une seule et unique décharge était de 7,7 secondes (30/08/2012 dans le sud de la France) et celui de longueur de 321 km (2007, Oklahoma), distance comptée horizontalement entre les deux extrémités du flash lumineux. Mais l’analyse des archives récentes vient de montrer que ces deux records ont été battus. La durée la plus longue pour une seule décharge atteint désormais la valeur étonnante de 16,7 secondes ! Elle a été relevée le 4 mars 2019 au cours d’un orage au nord de l’Argentine. Quant au nouveau record de distance… il a été confirmé et publié fin juin 2020 par le WMO (World Meteorological Organization) : 710 km, au sud du Brésil le 31 octobre 2018. Comme si la foudre issue d’un orage à Paris frappait en plein centre de Nîmes ! Lorsque la distance devient aussi grande, la foudre peut s’abattre par temps calme et dans un ciel ensoleillé, au grand étonnement des témoins. Aussi, pendant longtemps, les témoignages de ce genre n’ont pas été pris au sérieux. Signalons que puiser l’énergie électrique de la foudre pour subvenir aux besoins énergétiques de l’humanité est une idée reçue. L’énergie en jeu dans un coup de foudre est de l’ordre d’un milliard de joules, mais elle est essentiellement (99%) dissipée sous forme thermique. Il ne reste guère que 1 %, soit dix millions de joules, ce qui correspond à la consommation électrique d’un fer à repasser de 2 000 W durant 90 minutes. Même sans les pertes thermiques, l’énergie totale en jeu correspondrait donc à la consommation de cent fers à repasser de ce type, ce qui est finalement peu.

Kamil FADEL

Kamil Fadel
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