Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ? Julien Donini Laboratoire de Physique Corpusculaire Master Class 20/03/2015

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

Objectif But: provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …) Petite masse, grande énergie Particule de grande masse

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

Avant de les accélérer il faut les produire ! Exemple: électrons Un filament chauffé émet des électrons Si un champ électrique est appliqué on peut arracher ces électrons

Comment accélérer les particules ? On peut accélérer une particule chargée avec un champ électrique DV = 1 Volt - + e- Energie acquise : 1eV = 1,6 10-19 Joules Accélérateurs limités à quelques MégaVolts alors qu’on a besoin de centaines de GigaVolts 6

Accélération: champ alternatif Cavités accélératrices Les particules peuvent être accélérées à des énergies beaucoup plus grande

Cavités accélératrices Ce système marche aussi pour accélérer des protons

Synchrotron: accélérateurs circulaires Accélérateur circulaire: il est possible de réutiliser plusieurs fois une cavité accélératrice 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 Il faut aussi contrôler la taille du faisceau de particules: focalisation à l’aide de quadrupoles

Résumé: accélérateur Il est constitué d’aimants dipolaires maintien de la trajectoire circulaire) d’aimants quadripolaires assurent la focalisation du faisceau) des systèmes d’accélération radiofréquence. De zones d’interaction du faisceau RF IP D Q

Organisation Européenne de la Recherche Nucléaire Le CERN Organisation Européenne de la Recherche Nucléaire

Le LHC: Large Hadron Collider

Succession d’accélérateurs Energie augmentée graduellement par différents accélérateurs : 1,4 GeV 25 GeV 450 GeV 3,5 TeV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV

Le LHC

Le LHC en chiffres La plus grande machine du monde: 27km de circonférence, 9600 aimants, 10 000 t d’azote liquide, 120 t d’He Température: -271° C, plus froid que l’espace interstellaire ! 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

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 20

Contraintes pour le détecteur Les particules produites sont TRES petites (100 milliards de fois plus petites qu’une fourmi ou 1 milliard de fois plus petite qu’une cellule) et pour certaines instables (durées de vie très courtes) On veut reconnaître des centaines de particules différentes

Comment s’y prend-on ? On va utiliser les propriétés des particules pour construire des détecteurs dédiés. Façons d’interagir avec la matière Trajectoires Charge Vitesse (ou plutôt impulsion masse x vitesse) Masse Energie

Façons 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) Certaines n’interagissent (presque) pas (muon, neutrino) il va falloir ruser ! Façon d’interagir avec la matière

Mesure de la vitesse et de la charge Pour mesurer la charge et la vitesse on utilise un aimant. En effet les particules chargées, soumises à l’action d’un champ magnétique, ont une trajectoire en forme de spirale autour de la direction du champ. Le rayon de courbure R=mv/qB

Mesure de la trajectoire

Mesure de l’énergie: calorimètres 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 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.

Les neutrinos: des particules (presque) invisibles ! On peut déduire son passage des lois de conservation. En particulier la loi de conservation du vecteur M v.

Résumé

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 ) 30

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 600 000 000 collisions / sec. On sélectionne 200 collisions / sec. Volume 300 Mb/sec. Correspond à 15 Pb/an (1000 fois les livres de la terre…)

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

Merci !