Une vue du Supersynchrotron à protons du Cern en 2013. C'est actuellement le second accélérateur de particules en taille après le LHC dans le monde. © Piotr Traczyk

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Un pionnier des accélérateurs de particules, le SPS, fête ses 40 ans

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Le Cern fêtait les 40 ans d'un de ses plus puissants accélérateurs de particules, le Supersynchrotron à protons. Cet instrument pionnier a permis des découvertes célèbres, celle des bosons W et Z en 1983 et, plus indirectement, celle du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012, c'est-à-dire des trois nouveaux bosons prédits par le modèle électrofaible. Toujours en activité, le SPS alimente en protons et ions lourds le LHC.

LHC : comment fonctionne le plus grand accélérateur de particules ?  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern. 

Il y a 40 ans, l'un des géants de la physique moderne s'éveillait au Cern. Le 17 juin 1976, l'un des prédécesseurs de Fabiola Gianotti à la tête du Cern, le physicien britannique John Adams, lançait avec succès le processus d'accélération de protons au sein d'un anneau de 7 kilomètres de circonférence, le Supersynchrotron à protons, ou SPS, pour Super Proton Synchrotron. Déjà alimenté en particules par le Synchrotron à protons (PS), il était destiné à maintenir le Cern dans la course aux découvertes dans le domaine des hautes énergies en physique des particules.

Alors que la machine, comme prévu, accélérait des protons à 300 GeV, Adams, encouragé par ce succès, n'hésita pas à demander à ses ingénieurs une prouesse de plus. Le jour même, et sans anicroche, l'instrument fut poussé jusqu'à 400 GeV, dépassant les attentes.

Ce n'était pas pour autant le record de l'époque car, un mois avant, les membres du Fermilab, aux États-Unis, avaient déjà atteint les 500 GeV avec un anneau de 6,4 km de circonférence. Toutefois, ce laboratoire n'avait pas écouté le physicien Carlo Rubbia qui proposait d'utiliser la machine pour démontrer l'existence des bosons W et Z prédits par le modèle électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg en utilisant le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Le Fermilab entendait se lancer dans un autre projet à base d'aimants supraconducteurs pour atteindre deux fois l'énergie de son anneau : le futur Tevatron.

Un documentaire sur la découverte des bosons W, au Cern, au début des années 1980. Ces bosons sont massifs en raison de l'existence supposée du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Voici quelques-unes des clés pour comprendre comment s'est déroulée leur découverte. © Cern

Le SPS, la clé de la découverte des bosons du modèle électrofaible

Les membres du Cern, eux, écoutèrent Rubbia et, avec l'aide d'un autre futur prix Nobel de physique, Simon van der Meer, qui avait mis au point une technique pour stocker des paquets d'antiprotons, le SPS fut transformé en collisionneur proton-antiproton en 1981, ce qui permit la découverte en 1983 des particules W et Z. Un rôle important fut aussi joué dans cette découverte par les détecteurs basés sur les travaux de Georges Charpak.

Le SPS fut utilisé plus tard pour accélérer des électrons et des positrons pour le LEP, la machine de 27 kilomètres de circonférence pour laquelle fut creusé le tunnel que finira par occuper le LHC. Le SPS continuera d'ailleurs à servir d'étage de pré-accélérations pour les protons du LHC, de sorte que la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012 est aussi un de ses succès.

On s'en sert également pour accélérer des ions lourds et sonder les mystères du quagma et il alimentera également bientôt l'expérience Awake, qui va tester de nouvelles techniques d'accélération.

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