L’accélérateur LHC et ses détecteurs

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1 L’accélérateur LHC et ses détecteurs
MURAZ Jean-François MasterClasses 2015 Plan: Présentation du LHC Fonctionnement des détecteurs (ATLAS)

2 LHC = Large Hadron Collider
Mt Blanc Genève Lac Léman Aéroport Jura Le plus grand équipement scientifique au monde

3 Large Hadron Collider Circonférence: 26.7 km Diamètre du tunnel 3.8 m
Profondeur : ~ m Inclinaison du tunnel: ~ 1.4%

4 Large Hadron Collider

5 Vue du tunnel du LHC

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7 Le faisceau du LHC en quelques chiffres
2 808 paquets de protons accélérés à une énergie de 7 TeV 7 TeV = eV. Chaque paquet contient 100 milliards de protons. La vitesse de chaque paquet est de 99, % la vitesse de la lumière (c = km/s) soit seulement 2,7 m/s de moins A cette vitesse chaque paquet parcours fois les 27 km par seconde. L’espacement entre 2 paquets est de 25 ns (25 milliardième de seconde= 0, s) soit ~ 8 m à cette vitesse. L’énergie totale contenue dans le faisceau (ie: les paquets de protons à 7 TeV) est de 362 MJ

8 From a real 450 GeV (0.45 TeV) beam…
Shoot a 450 GeV beam into a target… 108 plates 30 cm 6 cm 6 cm Cu plate ~20 cm inside the ‘target’. ~0.1% nominal LHC beam The 7 TeV LHC beam can drill a hole through ~35 m of Copper A B D C

9 Accélérateur de particules LHC
Source d’ions H2 Proton e¯ HF + Protons Particules Chargées

10 Produire les particules : Sources d’ions
Bouteille d’hydrogène Source du LHC

11 Accélérateur de particules LHC
- + Source d’ions H2 F e¯ HF + + + E F=qE Protons Particules Chargées Champ électrique : Accélère

12 Accélérateur de particules LHC
- - + + Source d’ions H2 F e¯ HF + + + E E E Protons Particules Chargées Champ électrique : Accélère Linac

13 Accélérateur de particules LHC
- - + + Source d’ions H2 F e¯ HF + + + E E E Protons Particules Chargées Champ électrique : Accélère Linac

14 Accélérateur de particules LHC
- - + + Source d’ions H2 F e¯ HF + + + E E E Protons Particules Chargées Champ électrique : Accélère Linac

15 Accélérer les particules : Linac

16 Accélérer les particules : Linac
30 mètres de longueur Accélération : 50 MeV 7 Tev (7 10⁶ MeV)  Linac devrait faire km de longueur!!

17 Accélérateur de particules LHC
0 V - 10 kV F + E F=qE Champ électrique : Accélère

18 Accélérateur de particules LHC
+ + + 0 V - 10 kV + + F + E F=qE Champ électrique : Accélère

19 Accélérateur de particules LHC
+ + F + 0 V - 10 kV + + F + E F=qE Champ électrique : Accélère

20 Accélérateur de particules LHC
+ Force de Lorentz F=qV ʌ B + V B F + + 0 V - 10 kV Champ magnétique Courbe la trajectoire + + + F + E F=qE Champ électrique : Accélère

21 Accélérateur de particules LHC
Ultra vide Evite les collisions + Force de Lorentz F=qV ʌ B + V B F + + 0 V - 10 kV Champ magnétique Courbe la trajectoire + + + F + E F=qE Champ électrique : Accélère

22 Accélérateur de particules LHC
Ultra vide Evite les collisions + Force de Lorentz F=qV ʌ B + V B F + + Champ magnétique Courbe la trajectoire + + F + Champ électrique : Accélère Cavités accélératrices

23 Accélérer les particules : Cavités accélératrices
Il y a 8 cavités accélératrices par faisceaux sur les 27 Km L’accélération moyenne est de 0,5 MeV par tour. Il faut 20 minutes pour accélérer les protons de 450 Gev à 7 TeV

24 Courber la trajectoire des particules : Electroaimants
Pour courber des protons de 7 TeV  Champ magnétique de 8.33 Teslas ( fois le champ magnétique terrestre) Pour produire ce champ magnétique de 8.33 Teslas, il faut faire circuler un courant de Ampères dans le conducteur!!! Si le conducteur était en cuivre, il devrait avoir un diamètre de 9 cm (les pertes par effet joule sont considérables (P = R i²))

25 Courber la trajectoire des particules : Electroaimants
La solution : La Supraconductivité (Découverte il y a 100 ans) A très basse température, (proche du zéro absolu) certains matériaux ne sont plus résistifs et conduisent l’électricité sans perte d’énergie. … mais il faut les refroidir à 1.9 K (– °C) … température actuelle de l’univers : 3 K Mercure : Hg

26 Courber la trajectoire des particules : Electroaimants
Fils supraconducteurs du LHC Alliage Nb Ti : Niobium Titane

27 Vue du tunnel du LHC tonnes refroidies à 1.9 K

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29 Et après ? Que faudrait-il faire pour aller plus haut en énergie ?

30 Et après ? Que faudrait-il faire pour aller plus haut en énergie ?
LHC 8O km 100 TeV

31 MURAZ Jean-François MasterClasses 2015

32 MasterClasses 2050 ?

33 Backup Slides

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35 Large Hadron Collider

36 En fait, le LHC n’est pas circulaire
Arrêt Faisceaux CMS 8 arcs. 8 portions droites, ~ 700 m long. Les faisceaux intervertissent leur position en 4 points afin d’avoir une circonférence égale LHC-B ALICE ATLAS Injection anneau 1 Injection anneau 2

37 Combining the beams for collisions
The 2 LHC beams must be brought together to collide. Over ~260 m, the beams circulate in the same vacuum chamber. They are ~120 long distance beam encounters in total in the 4 IRs. J. Wenninger LNF Spring School, May 2010

38 The 7 TeV LHC beam can drill a hole through
Beam impact in a target Simulation of a 7 TeV LHC beam impact into a 5 m long Copper target The 7 TeV LHC beam can drill a hole through ~35 m of Copper 20 bunches 180 bunches 5 m 100 bunches 380 bunches Courtesy N. Tahir

39 Enceinte Helium liquide 1.9 K
Tube faisceau sous vide Electroaimants dipôles supraconducteur Fer doux Ferromagnetique Enceinte Helium liquide 1.9 K Vide d‘isolation Enceinte à vide Rüdiger Schmidt 39

40 Courber la trajectoire des particules : Electroaimants
Il y a aimants refroidis à 1.9 K (- 271,2 °C) sur les 27 km du LHC Avril 2007 : Mise en place du dernier aimant Poids : 30 tonnes Longueur: 15 m

41 L’accélérateur de tous les superlatifs
Le plus grand équipement scientifique jamais réalisé au monde La plus grande concentration de chercheurs au monde: ~ 8 000 Le LHC est plus froid 1.9 K (271,2°C) que l’Univers (3 K) -> tonnes de matériaux refroidis à 1,9 K grâce à 700 m³ d’hélium liquide Le vide à l’intérieur du tube faisceau est 10 fois meilleur que la pression régnant à la surface de la lune. Le champ magnétique à l’intérieur des aimants supraconducteurs (8,3 Teslas) équivaut à fois le champ magnétique terrestre