Les Américains préparent un nouveau type d’accélérateur de particules qui permettrait une plus grande flexibilité par rapport au CERN

Un nouveau faisceau de protons circule dans un anneau expérimental.

Dans un accélérateur de particules, tout commence par un faisceau minuscule.
Une poignée de protons est arrachée à une source, accélérée, puis guidée par des aimants dans un anneau métallique parfaitement calibré.

Beaucoup connaissent déjà l’accélérateur le Large Hadron Collider (ou LHC) du CERN, situé à la frontière franco-suisse et dont nous parlons régulièrement sur ce site mais il est loin d’être le seul.

Aujourd’hui nous allons vous parler de la dernière innovation en la matière réalisée par des chercheurs du Fermilab aux États-Unis qui viennent de créer une installation prévue pour créer des faisceaux de protons circulant dans l’anneau expérimental IOTA.

Ces protons se déplacent déjà à environ 7 % de la vitesse de la lumière.
Ce n’est pas encore la vitesse atteinte dans les grands collisionneurs, mais c’est largement suffisant pour expérimenter de nouvelles idées !

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FAST/IOTA, un laboratoire pour tester les accélérateurs de demain

L’expérience a été réalisée dans l’installation appelée FAST/IOTA, pour Fermilab Accelerator Science and Technology et Integrable Optics Test Accelerator.
Ce complexe fonctionne comme un terrain d’essai dédié à la physique des accélérateurs.

Dans un grand collisionneur, chaque minute de fonctionnement coûte très cher et les expériences sont planifiées longtemps à l’avance.
Ici, les chercheurs disposent d’une machine plus flexible où ils peuvent modifier l’anneau, installer de nouveaux équipements et tester des concepts risqués à un rythme plus soutenu.

Ce type d’environnement est précieux pour explorer des idées qui seraient trop incertaines à tester directement sur des machines opérationnelles.

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À quoi sert un accélérateur de particules ?

Un accélérateur de particules agit comme un microscope capable de sonder l’infiniment petit.
En propulsant des particules à très grande vitesse avant de les faire entrer en collision avec une cible ou entre elles, les physiciens peuvent observer les fragments produits et comprendre comment la matière est construite.

Ces machines servent d’abord à la recherche fondamentale, par exemple pour étudier les neutrinos, les forces fondamentales ou les particules qui composent les atomes.
Elles ont aussi des applications très concrètes : production de radio-isotopes médicaux pour l’imagerie et la radiothérapie, analyse de matériaux, traitement de certains cancers par faisceaux de protons, ou encore inspection industrielle.

Autrement dit, derrière les grandes découvertes de la physique, les accélérateurs jouent aussi un rôle discret dans la médecine, l’industrie et les technologies modernes.

Pourquoi contrôler un faisceau de protons est si difficile ?

Accélérer des particules est relativement simple, les garder stables et bien concentrées à haute intensité, c’est une autre paire de manches !

Lorsque la densité du faisceau augmente, les protons interagissent entre eux.
Ils peuvent se repousser, se disperser ou devenir instables, ce qui dégrade la qualité du faisceau.

L’anneau IOTA est équipé d’aimants expérimentaux capables de tester de nouvelles méthodes pour contrôler ces phénomènes.
Ces dispositifs permettent aux physiciens d’étudier comment maintenir des faisceaux puissants sans perdre leur précision.

Une nouvelle source de protons au cœur du dispositif

Pour générer ces faisceaux, l’équipe a installé un injecteur de protons dédié.
Le système combine une source de protons basse tension et un accélérateur appelé quadrupôle radiofréquence.

Ce type d’accélérateur utilise des champs électromagnétiques oscillants pour structurer et accélérer le faisceau.
Il fournit ensuite un jet de protons suffisamment intense pour alimenter l’anneau expérimental.

Une fois injectées, les particules peuvent circuler dans l’anneau pendant que les chercheurs analysent leur comportement.

Un outil pour préparer les grands projets de physique

Ces recherches s’inscrivent dans une modernisation plus large des infrastructures du laboratoire, notamment avec le projet PIP-II, qui vise à augmenter la puissance des accélérateurs de protons.

Ces installations serviront à alimenter des expériences majeures comme DUNE, le Deep Underground Neutrino Experiment.
Ce programme international doit étudier les neutrinos afin de mieux comprendre l’évolution de l’Univers et l’asymétrie entre matière et antimatière.

Avant de produire ces faisceaux extrêmement puissants, les physiciens doivent apprendre à les maîtriser.
FAST/IOTA agit comme un banc d’essai pour cette future génération d’accélérateurs.

L’intelligence artificielle entre aussi dans l’équation

Une autre dimension du projet concerne l’utilisation de l’intelligence artificielle pour piloter les accélérateurs.
Les chercheurs développent des modèles numériques capables de reproduire le comportement de la machine réelle.

Ces jumeaux numériques permettent d’entraîner des algorithmes qui apprennent à optimiser les paramètres du système.
Plutôt que de comprendre chaque détail interne, les programmes ajustent les réglages en observant simplement les résultats.

Cette approche permet déjà d’améliorer la performance de la source de protons.
Une fois les réglages identifiés en simulation, ils peuvent être appliqués directement sur la machine réelle.

Une vision construite sur plus d’une décennie

La circulation des premiers protons dans l’anneau IOTA marque l’aboutissement d’un projet lancé il y a plus de dix ans.
L’idée était de créer un accélérateur capable d’explorer librement des concepts nouveaux, sans perturber les grandes installations scientifiques.

Avec ce premier faisceau stocké dans l’anneau, les chercheurs disposent désormais d’un outil unique pour tester les technologies qui pourraient équiper les accélérateurs de demain.
Ces travaux guideront la conception de machines plus puissantes, capables de produire des faisceaux plus intenses et plus stables.

Dans la physique des particules, chaque amélioration de ce type peut ouvrir la voie à des découvertes inattendues.

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Une compétition mondiale autour des accélérateurs géants

Comme nous venons de le voir, les installations comme FAST/IOTA servent à préparer les technologies du futur.
Les véritables expériences de physique fondamentale se déroulent ensuite dans des machines beaucoup plus gigantesques, parfois longues de plusieurs dizaines de kilomètres.

Aujourd’hui, le champion mondial reste le CERN avec le Large Hadron Collider (LHC).
Cet anneau de 27 kilomètres situé à la frontière franco-suisse propulse des protons à des énergies atteignant 13 téraélectronvolts en collision.
C’est dans cette machine qu’a été découverte en 2012 la fameuse particule de Higgs, dernière pièce manquante du modèle standard.

Aux États-Unis, le Brookhaven National Laboratory exploite le RHIC, spécialisé dans les collisions d’ions lourds.
Son objectif est plutôt de recréer pendant un instant les conditions de l’Univers primordial en produisant du plasma de quarks et de gluons.

Le Fermilab a longtemps dominé ce domaine avec le Tevatron, qui a fonctionné jusqu’en 2011.
Cette machine de 6,3 kilomètres a permis la découverte du quark top en 1995, une étape importante dans la compréhension de la structure de la matière.

La Chine avait prévu de rejoindre cette course avec le CEPC, un gigantesque collisionneur électron-positon de 100 kilomètres de circonférence.
Le projet visait devait permettre d’étudier le boson de Higgs avec une précision exceptionnelle.
Cependant, le programme a été gelé fin 2025, car il n’a pas été retenu dans le quinzième plan quinquennal chinois.
Il pourrait être relancé vers 2030, ou être abandonné si l’Europe prend l’avantage avec son propre projet de FCC-ee, également porté par le CERN.
Avec une circonférence d’environ 90,7 kilomètres, il battrait alors le record déjà tenu par le CERN.
Une décision officielle sur sa construction est attendue autour de 2028, pour une mise en service potentielle dans les années 2040.

Les plus grands accélérateurs de particules du monde en 2026 :

Sources :

• Fermilab, Fermilab’s FAST/IOTA Facility Achieves Major Milestone in Accelerator Research (5 mars 2026),
  communiqué scientifique annonçant une avancée majeure obtenue au sein de l’installation FAST/IOTA, dédiée aux recherches sur les technologies d’accélérateurs de particules, avec des résultats importants pour les futures générations de machines destinées à la physique fondamentale.
• Génération NT, Le CERN veut construire le plus grand accélérateur de particules du monde avant la Chine (6 mars 2026),
  article d’actualité consacré à la compétition scientifique entre le CERN et la Chine autour des futurs grands collisionneurs circulaires, notamment le projet européen Future Circular Collider (FCC) et le projet chinois CEPC.
• CERN Courier, CEPC Matures but Approval Is on Hold (7 février 2024),
  article d’analyse expliquant l’état d’avancement du projet chinois Circular Electron Positron Collider (CEPC), les progrès technologiques réalisés et les incertitudes politiques et financières qui retardent encore son approbation officielle.

Image de mise en avant : Vue aérienne du Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) aux États-Unis, montrant les anneaux d’accélérateurs Main Ring et Main Injector.
Les bassins en forme de pilule servent à dissiper la chaleur produite par les équipements du complexe scientifique.