Accélérateurs et détecteurs de particules Masterclass de Clermont-Ferrand Mars 2012

Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ?

Objectif Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …) Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en matière

Création de nouvelles particules explorer les forces et les particules fondamentales de la nature

Avant d’accélérer les particules, il faut les produire ! Par exemple : 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.

Accélération : champ fixe Une particule chargée placée dans un champ électrique est accélérée. Cependant ils sont limités à des accélérations d’une dizaine de MégaVolts. Les accélérateurs modernes ont besoin de centaines de GigaVolts !

Accélération : champ alternatif 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.

Cavités accélératrices Ce système marche aussi bien pour accélérer des électrons que des protons

Synchrotron : 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.

Mais pas si simple… Les particules accélérées perdent de l’énergie lors de leur rotation: 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 quadrupoles

Résumé : accélérateur Il 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. Des espaces sont réservés aux zones d’interaction (Impact Point). RF IP D Q

Le LHC: Large Hadron Collider situé à côté du CERN près de Genève

Le LHC

Le LHC en chiffres La plus grande machine du monde : 27 km de circonférence, 9300 aimants, 10 000 tonnes d’azote liquide, 120 tonnes d’hélium liquide. Température : -271° C, plus froid que l’espace intersidéral ! Vide extrêmement poussé: 1/10 de la pression sur la lune.

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 d’un diamètre de cheveux

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

Détecteurs du LHC Atlas CMS LHCb Alice 150 millions de capteurs * 40 millions par seconde ~700 Mo/s  15 000 000 Go par an Atlas 320 Mo/s 120 MW ~ equivalent canton de geneve => 20 millions d’euros par ans

Contraintes pour le détecteur

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’absorbeurs (milieu dense) et de volumes sensibles.

Les muons sont des particules chargées, on les voit dans le détecteur de traces, mais ils ne s’arrêtent pas dans les calorimètres. Les chambres à muons sont placées « après tout le reste » il y a donc une grande quantité de matière en amont. Les particules autres que les muons (et les neutrinos) ne les atteignent pas.

Arg ! Une particule invisible ! On peut déduire son passage des lois de conservation. En particulier la loi de conservation du vecteur M v. Dans le plan transverse au faisceau