POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB -19 avril 2002 Contenu (suite): Après-midi: Résumé du cours du matin. Les outils de la physique des particules: –Pourquoi.

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1 POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB -19 avril 2002 Contenu (suite): Après-midi: Résumé du cours du matin. Les outils de la physique des particules: –Pourquoi de hautes énergies? –Comment les obtenir? –Les accélérateurs. –Comment détecter des particules? –Quelques types de détecteurs. Déroulement dune expérience. Conclusions Le CERN

2 Résumé Au CERN on étudie principalement les constituants les plus ténus de la matière et leurs interactions

3 Résumé Les constituants élémentaires de la matière:

4 Résumé Les constituants élémentaires de la matière: + leurs antiparticules

5 Résumé Les interactions fondamentales: Léchange de particules est responsable des forces

6 Résumé Le modèle standard (SM): Théorie électrofaible: rend compte des interactions é.m. et faible dans une seule théorie QCD: la chromodynamique quantique décrit les interactions fortes englobe tous les phénomènes naturels, sauf la gravitation Théorie électrofaible + QCD + modèle des quarks

7 Résumé Références: http://public.cern.ch/Public http://marwww.in2p3.fr/voyage/standard.html http://www.lal.in2p3.fr/CPEP/adventure.html http://particleadventure.org/particleadventure/ frameless/index.html « La matière première », Michel Crozon, Seuil

8 Les outils de la physique des particules Pourquoi de hautes énergies? Pour étudier un objet, on le bombarde avec des particules ou avec des ondes électromagnétiques: Dans ce cas le pouvoir de résolution est limité par le phénomène de diffraction: Onde visible Franges de diffraction Optique parfaite

9 Les outils de la physique des particules Pourquoi de hautes énergies? Critère de Rayleigh: D: ouverture = longueur d onde lumière visible : 0.5 m grain photo au microscope optique

10 Les outils de la physique des particules Pourquoi de hautes énergies? Microscope électronique: structure cristalline molécules de colloïde Mécanique quantique :petites dimensions équivalence onde - corpuscule E = hc / constante de Planck longueur donde

11 Les outils de la physique des particules Pourquoi de hautes énergies? Pour sonder la structure des nucléons: < 10 -16 m Des énergies beaucoup plus hautes encore! de quelques Gev (1960) à plusieurs Tev ( 21 ème siècle)

12 Les outils de la physique des particules Comment les obtenir? Dans le rayonnement cosmique:, p et quelques noyaux qui proviennent du soleil, des étoiles et des galaxies. Atmosphère: gerbe! Au sol: (75%)e, (25%) Avec des accélérateurs de particules.

13 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Le principe: une source de particules: p, e - ou ions +, obtenus à partir datomes ionisés par une décharge électrique des champs électriques pour accélérer ces particules des champs magnétiques pour les guider Les composants de base: La source: HT + + - H2H2 Vers les cavités accélératrices Hydrogène gazeux

14 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Les composants de base: Les cavités accélératrices:

15 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Les composants de base: Les aimants de guidage: Aimant bipolaire pour courber la trajectoire dans les accélérateurs circulaires quadrupoles et sextupoles pour focaliser le faisceau (cf. lentille)

16 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Les composants de base: Eventuellement des cibles: Lorsquon désire un faisceau dautre chose que des p, e - ou ions, on envoie le faisceau primaire sur une cible afin de provoquer des interactions et créer des particules secondaires. Celles-ci sont ensuite sélectionnées et guidées à leur tour. Exemples: faisceau de + faisceau de neutrinos faisceau de positons faisceau dantiprotons Le tunnel:

17 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Linéaires: Avantage: pas dénergie perdue par rayonnement synchrotron (e) Désavantage: longueur et coût énergie! Circulaires:

18 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Expérience à cible fixe ou collisionneur? Le collisionneur permet datteindre de plus grandes énergies dans le système de repos, à énergie égale du ou des faisceaux accélérés.

19 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Le complexe daccélérateurs du CERN

20 Les outils de la physique des particules Les accélérateurs

21 Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Particules neutres Interactions secondaires: Energie manquante

22 Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Dans les expériences à cible fixe, les particules sont émises vers lavant où sont placés les détecteurs Dans les collisionneurs, les particules sont émises dans toutes les directions et les détecteurs entourent la zone de collision.

23 Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Chaque couche de détecteur a un rôle particulier à jouer:

24 Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Diamètre: 14,6 mLongueur: 21,6 m Poids: 14.500 T CMS p p

25 Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? 18 interactions pp enregistrées simultanément avec une interaction intéressante dans laquelle un Higgs se désintégrant en 4 énergétiques sont émis Où sont les 4 muons?

26 Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Après suppression des traces avec p < 2 Gev On distingue les 4 muons en jaune Possible si la taille des cellules de détection est de ~1 mm 2, ce qui conduit à 10 7 signaux!

27 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: Les chambres à muons: Ce sont souvent des détecteurs à gaz, par exemple des chambres à dérive: Les e- dérivent vers lanode où le champ électrique très intense (1/r) provoque une avalanche qui induit un signal sur lanode. La mesure du temps de dérive donne la distance. -+ + +- - A C C: cathode A: anode particule chargée E E: champ électrique d Section au travers dun long tube

28 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: Les calorimètres: Ils sont constitués de matériaux très denses pour provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique Exemple: scintillateur plombé Principe des scintillateurs: Au passage d une particule chargée, les atomes du scintillateur sont excités et se désexcitent en émettant de la lumière pour laquelle il est transparent

29 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: A laide dun guide de lumière, la lumière est dirigée vers un photomultiplicateur. Lamplitude des signaux est proportionnelle à lénergie déposée par la particule incidente. Dans un calorimètre lénergie de la gerbe est ainsi obtenue. Principe des scintillateurs:

30 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: Les détecteurs de traces: Pour reconstruire la trajectoire des particules chargées, il faut mesurer les coordonnées de leur point dimpact avec plusieurs couches de détecteurs successives:

31 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: Les détecteurs de traces: La mesure du rayon de courbure dans le plan transverse, perpendiculaire au champ magnétique, permet destimer la quantité de mouvement dans ce plan, p t :

32 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: Les détecteurs de traces: Actuellement, les détecteurs qui permettent de mesurer les points dimpact des particules chargées avec les couches des détecteur de traces sont souvent des détecteurs à semiconducteur: résolution spatiale: jusquà ~10 m!

33 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: principe des détecteurs à semiconducteur: semiconducteurs: faible énergie entre la bande de valence et la bande de conduction (~1eV). Exemple: le silicium électron libre trou

34 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: principe des détecteurs à semiconducteur: semiconducteurs dopés: type n: quelques impuretés de type « donneur »: type p: quelques impuretés de type « accepteur »: impureté de valence 5 électron en excès trou en excès impureté de valence 3

35 Les outils de la physique des particules Quelques types de détecteurs: principe des détecteurs à semiconducteur: jonction n-p: détecteur: jonction n-p polarisée: + n - p n + p - zone de déplétion

36 Déroulement dune expérience Collaborations mondiales!

37 Déroulement dune expérience Collaborations mondiales!

38 Déroulement dune expérience Très longue durée: Conception de lexpérience, formation des collaborations et obtention des crédits: de 2 à 5 ans. Mise au point des détecteurs: de 2 à 6 ans Construction des détecteurs: de 2 à 6 ans Prise de données et analyse: ~10 ans

39 Déroulement dune expérience Très longue durée: Exemple: A Bruxelles nous travaillons à la conception du détecteur de traces de CMS depuis 1993, nous commençons la construction actuellement et la prise de données débutera en 2007. Lexpérience est prévue pour 10 ans.

40 Déroulement dune expérience Organisation:

41 Déroulement dune expérience Organisation:

42 Déroulement dune expérience Organisation:

43 Conclusions