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

LE LHC en chiffres  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) 07/03/2016 Pourquoi déployer autant d’efforts et une telle énergie ? Masterclass

Pourquoi accélérer les particules  Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …)  Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en masse 07/03/2016 Petite masse, grande énergie Particule de grande masse Masterclass

Création de nouvelles particules Explorer les forces et les particules fondamentales de la nature 07/03/2016Masterclass

Quelles sont nos forces ? 07/03/2016Masterclass

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. 07/03/2016Masterclass

Avant d’accélérer les particules, il faut les produire !  Un exemple : Les protons du LHC 07/03/2016Masterclass Charges -Charges - Charges +Charges +

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 ! 07/03/2016Masterclass

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. 07/03/2016Masterclass

Cavités accélératrices Ce système marche aussi bien pour accélérer des électrons que des protons 07/03/2016Masterclass

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. 07/03/2016Masterclass

Mais ce n’est pas si simple… Rayonnement synchrotron  Les particules accélérées perdent de l’énergie lors de leur rotation: 07/03/2016  Solutions ?  Augmenter la masse (m) des particules accélérées : protons au lieu d’électrons  Augmenter le rayon (R) de l’accélérateur Masterclass

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 07/03/2016Masterclass

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 07/03/2016Masterclass

Le LHC : Vue du ciel 07/03/2016 situé à côté du CERN près de Genève Masterclass Lac Léman Mont Blanc Genève LHCb Atlas Alice

Le LHC : schéma en sous-sol 07/03/2016Masterclass

Une succession d’accélérateurs  Energie augmentée graduellement par différents accélérateurs :  1,4 GeV (PSB)  25 GeV (PS)  450 GeV (SPS)  3,5 TeV (LHC)  1 GeV = 10 9 eV  1 TeV = eV 17 07/03/2016Masterclass 2016

Le lièvre et la tortue dans le tunnel ! 07/03/2016Masterclass

Tube en coupe 07/03/2016Masterclass

Le faisceau du LHC  2800 paquets contenant chacun 100 milliards de protons  Energie totale d’un faisceau ≈ 400 Méga Joules = 1 TGV à 150 km/h !!!  Quasiment le double à partir de cette année !!  Point de collision de la taille du diamètre d’un cheveu 07/03/2016 quelques mm Masterclass

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 07/03/2016Masterclass

Détecteurs du LHC AtlasCMS LHCb Alice 07/03/2016Masterclass

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 ?? 07/03/2016 Construction de détecteurs spécifiques pour observer ou reconstituer le passage d’une particule Masterclass

Comment doit être notre détecteur ?  On doit pouvoir détecter et reconnaître des centaines de particules différentes  On va utiliser leurs propriétés :  Trajectoire  Vitesse (en fait, quantité de mouvement = masse × vitesse)  Charge  Masse  Energie  En tenant compte de leur mode d’interaction avec la matière 07/03/2016Masterclass

Mode d’interaction 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) 07/03/2016 Détecteur :  Une partie pour la mesure de la vitesse et la charge  Une autre pour la mesure de la trajectoire  Une autre pour la mesure de l’énergie Détecteur :  Une partie pour la mesure de la vitesse et la charge  Une autre pour la mesure de la trajectoire  Une autre pour la mesure de l’énergie Masterclass

MESURE DE LA VITESSE ET DE LA CHARGE 07/03/2016Masterclass

Un aimant pour mesurer la masse, la vitesse et la charge ! 07/03/2016Masterclass

MESURE DE LA TRAJECTOIRE 07/03/2016Masterclass

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 07/03/2016  Détecteurs de traces compartimentés en petites cellules  On peut savoir ou la particule est passée avec une grande précision 1 cellule Plans de cellules Masterclass

MESURE DE L’ÉNERGIE 07/03/2016Masterclass

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 07/03/2016Masterclass

LES MUONS 07/03/2016Masterclass

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 07/03/2016Masterclass

LES NEUTRINOS 07/03/2016Masterclass

Une particule invisible… 07/03/2016 Dans le plan transverse au faisceau Masterclass

Résumé 07/03/2016Masterclass

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 37 07/03/2016Masterclass 2016

Mis à part çà, a quoi çà sert…  … les sciences fondamentales ?  2015 : Année mondiale de la Relativité Générale :  Sans Relativité Générale, pas de GPS !  2016 : Année mondiale de la Lumière  Sans les équations de Maxwell, point d’antenne !  Le transistor est à la base de toute notre technologie  Sans Mécanique Quantique, pas de transistor !  … la physique des particules ? 07/03/2016 Grille de Calcul et Big Data L’imagerie médicale Le World Wide Web Masterclass