Accélérateurs et Détecteurs E. Cogneras LPC Clermont / Univ. Blaise Pascal

LE LHC en chiffre  30 ans de travail en R&D, construction, qualification  Plus grand accélérateur du monde :  27 km de circonférence,  9300 aimants,  tonnes d’azote liquide,  120 tonnes d’hélium liquide  Budget : 7 milliard € (coût de 2 porte-avions CDG)  113 pays impliqués, 608 instituts, Plus de 5000 personnes impliquées  Vide extrêmement poussé : 1/10 de la pression sur la Lune  Température ( °C) plus faible que la température de l’univers ( °C) 19/03/2013 Pourquoi déployer autant d’efforts et une telle énergie ?

Pourquoi accélérer les particules  Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …)  Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en masse 19/03/2013 Petite masse, grande énergie Particule de grande masse

Création de nouvelles particules Explorer les forces et les particules fondamentales de la nature 19/03/2013

Quelles sont nos forces ? 19/03/2013

Avant d’accélérer les particules, il faut les produire !  Un exemple : les électrons  Un filament chauffé émet des électrons.  Normalement ces électrons retombent tout de suite sur le métal.  Si un champ électrique est appliqué on peut arracher ces électrons. 19/03/2013

Accélération en tension continue  Une particule chargée est accélérée dans un champ électrique.  Les accélérateurs en tension continue sont cependant limités à des accélérations d’une dizaine de MégaVolts.  Risque de claquage !!!  Les accélérateurs modernes ont besoin de centaines de GigaVolts ! 19/03/2013

Accélération en tension alternative  Au lieu d’utiliser un champ fixe, il est possible d’utiliser un champ alternatif.  De cette manière les particules peuvent être accélérées jusqu’à des énergies beaucoup plus grandes.  La plupart des accélérateurs modernes utilisent de telles cavités accélératrices. 19/03/2013

Cavités accélératrices Ce système marche aussi bien pour accélérer des électrons que des protons 19/03/2013

Réduire les cavités accélératrices avec les accélérateurs circulaires  Il est possible de réutiliser plusieurs fois une cavité accélératrice en réalisant un accélérateur circulaire.  C’est le cas de la plupart des accélérateurs modernes. 19/03/2013

Mais ce n’est pas si simple… Rayonnement synchrotron  Les particules accélérées perdent de l’énergie lors de leur rotation: 19/03/2013  Solutions ?  Augmenter la masse (m) des particules accélérées : protons au lieu d’électrons  Augmenter le rayon (R) de l’accélérateur

Contrôle de la trajectoire  Des aimants permettent de courber la trajectoire des particules chargées  Il faut aussi contrôler la taille du faisceau de particules : focalisation à l’aide de quadripôles 19/03/2013

Résumé : accélérateur  Un accélérateur est constitué :  d’une série d’aimants dipolaires (maintien de la trajectoire circulaire)  et d’aimants quadripolaire (assurent la focalisation du faisceau),  intercalés avec des systèmes d’accélération radiofréquence pour compenser la perte d’énergie synchrotron.  Des espaces sont réservés aux zones d’interaction (Impact Point). RF IP D Q 19/03/2013

Le LHC : Vue du ciel 19/03/2013 situé à côté du CERN près de Genève

Le LHC : schéma en sous-sol 19/03/2013

Une succession d’accélérateurs  Energie augmentée graduellement par différents accélérateurs :  1,4 GeV  25 GeV  450 GeV  3,5 TeV  1 GeV = 10 9 eV  1 TeV = eV 16

Le lièvre et la tortue dans le tunnel ! 19/03/2013

Tube en coupe 19/03/2013

Le faisceau du LHC  2800 paquets contenant chacun 100 milliards de protons  Energie totale d’un faisceau ≈ 350 Méga Joules = 1 TGV à 150 km/h !!!  Point de collision de la taille du diamètre d’un cheveu 19/03/2013

Un accélérateur c’est bien beau, ça fait collisionner des particules MAIS cela ne suffit pas Il faut un détecteur, pour regarder ce que cela donne 19/03/2013

Détecteurs du LHC AtlasCMS LHCb Alice 19/03/2013

Contraintes pour le détecteur  Les particules dans l’état final sont :  très petites (100 milliards de fois plus petites qu’une fourmi ou 1 milliard de fois plus petites q’une cellule)  et pour certaines très instables (durée de vie très courte)  Comment va-t-on les détecter ?? 19/03/2013 Construction de détecteurs spécifiques pour observer ou reconstituer le passage d’une particule

Comment doit être notre détecteur ?  On doit pouvoir détecter et reconnaître des centaines de particules différentes  On va utiliser leurs propriétés :  Façon d’interagir avec la matière  Vitesse (en fait, quantité de mouvement = masse × vitesse)  Charge  Trajectoire  Masse  Energie 19/03/2013

Façon d’interagir avec la matière : qu’est-ce que cela veut dire ?  Certaines particules interagissent beaucoup : peu de matière suffit à les arrêter (ex : électrons, photons)  D’autres interagissent moins : il faut plus de matière (ex : protons, neutrons)  Enfin, certaines n’interagissent (presque) pas (ex: muon, neutrinos) il faut ruser pour mieux les connaître 19/03/2013 Détecteur :  Une partie pour la mesure de la trajectoire  Une autre pour la vitesse et la charge  Une autre pour la mesure de l’énergie  Matière pour mieux identifier la particule  Système pour les particules n’interagissant pas ou peu avec la matière Détecteur :  Une partie pour la mesure de la trajectoire  Une autre pour la vitesse et la charge  Une autre pour la mesure de l’énergie  Matière pour mieux identifier la particule  Système pour les particules n’interagissant pas ou peu avec la matière

MESURE DE LA VITESSE ET DE LA CHARGE 19/03/2013

Un aimant pour mesurer la masse, la vitesse et la charge ! 19/03/2013

MESURE DE LA TRAJECTOIRE 19/03/2013

Petit Poucet en version électronique  Pour mesurer la trajectoire, on s’appuie sur le phénomène de l’ionisation : une particule chargée arrache, sur son passage, des électrons aux atomes du milieu 19/03/2013  Détecteurs de traces compartimentés en petites cellules  On peut savoir ou la particule est passée avec une grande précision 1 cellule Plans de cellules

MESURE DE L’ÉNERGIE 19/03/2013

Sandwich énergétique  La mesure de l’énergie des particules se fait dans des milieux très denses et instrumentés : les calorimètres  Les particules y déposent toute leur énergie sauf les muons et les neutrinos  Ils sont construits comme un sandwich d’absorbeur (milieu dense) et de volumes sensibles 19/03/2013

LES MUONS 19/03/2013

Une particule difficile à stopper…  Les muons sont des particules chargées :  On les voit dans les détecteurs de traces  Mais ils ne sont pas stoppés par les calorimètres  Les chambres à muons sont placées après tout le reste  Il y a donc une grande quantité de matière en amont  Seuls les muons (et les neutrinos) peuvent les atteindre 19/03/2013

LES NEUTRINOS 19/03/2013

Une particule invisible… 19/03/2013 Dans le plan transverse au faisceau

Résumé 19/03/2013

MAIS CE N’EST PAS SI SIMPLE QUE CELA… 19/03/2013

L’empilement d’événements  Fenêtre d’observation des détecteurs : 20 ns (1 ns = un milliardième de seconde)  En 2011, le LHC créait environ 10 collisions en 20 ns  Le détecteur les voit simultanément 37

L’empilement d’événements  Fenêtre d’observation des détecteurs : 20 ns (1 ns = un milliardième de seconde)  En 2011, le LHC créait environ 10 collisions en 20 ns  Le détecteur les voit simultanément  L’analyse va se focaliser sur une seule collision ( un vertex ) 38

Les filtres rapides  Le volume de données de mesures  250 Tb/sec. par détecteur  Un premier tri est indispensable  Système de sélection propre à chaque détecteur  Par exemple : autorise l’enregistrement de la collision s’il existe au moins une particule de haute énergie  A partir de collisions / sec. On sélectionne 200 collisions / sec.  Volume 300 Mb/sec.  Correspond à 15 Pb/an (1000 fois les livres de la terre…) 39

La grille de calcul  Mise en commun des ressources informatiques des différents laboratoires participant au LHC (centaines de milliers de processeurs)  Connexion ultra-rapide de ces ressources pour former une grille  Partager de gros volumes de données expérimentales de manière automatisée et rapide 40