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

Pourquoi déployer autant d’efforts et une telle énergie ? LE LHC en chiffre 30 ans de travail en R&D, construction, qualification Plus grand accélérateur du monde : 27 km de circonférence, 9300 aimants, 10 000 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 (-271.3 °C) plus faible que la température de l’univers (-270.5 °C) Pourquoi déployer autant d’efforts et une telle énergie ? 17/03/2015 Masterclass 2015

Pourquoi accélérer les particules Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …) Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en masse Petite masse, grande énergie Particule de grande masse 17/03/2015 Masterclass 2015

Création de nouvelles particules Explorer les forces et les particules fondamentales de la nature 17/03/2015 Masterclass 2015

Quelles sont nos forces ? La technologie nous permet de manipuler seulement l’interaction électromagnétique Pour agir sur les particules, les seuls moyens sont : La force électrique : 𝐹 𝑒 =𝑞 𝐸 La force magnétique : 𝐹 𝑚 =𝑞 𝑣 ∧ 𝐵 17/03/2015 Masterclass 2015

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. 17/03/2015 Masterclass 2015

Avant d’accélérer les particules, il faut les produire ! Un exemple : Les protons du LHC Charges - Charges + 17/03/2015 Masterclass 2015

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 ! 17/03/2015 Masterclass 2015

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. 17/03/2015 Masterclass 2015

Cavités accélératrices Ce système marche aussi bien pour accélérer des électrons que des protons 17/03/2015 Masterclass 2015

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. 17/03/2015 Masterclass 2015

Mais ce n’est pas si simple… Rayonnement synchrotron 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 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

Le LHC : Vue du ciel Mont Blanc Lac Léman Genève situé à côté du CERN près de Genève LHCb Atlas Alice 17/03/2015 Masterclass 2015

Le LHC : schéma en sous-sol 17/03/2015 Masterclass 2015

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 = 109 eV 1 TeV = 1012 eV 17/03/2015 Masterclass 2015

Le lièvre et la tortue dans le tunnel ! 17/03/2015 Masterclass 2015

Tube en coupe 17/03/2015 Masterclass 2015

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 quelques mm 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

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 ?? Construction de détecteurs spécifiques pour observer ou reconstituer le passage d’une particule 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

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 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 17/03/2015 Masterclass 2015

Mesure de la vitesse et de la charge 17/03/2015 Masterclass 2015

Un aimant pour mesurer la masse, la vitesse et la charge ! Pour mesurer la charge et la vitesse, on va utiliser un aimant En effet, lorsqu’elles sont soumises à un champ magnétique, les particules chargées ont une trajectoire en forme de spirale autour de la direction du champ Rayon de courbure : 𝑅= 𝒎𝒗 𝒒𝐵 17/03/2015 Masterclass 2015

Mesure de la trajectoire 17/03/2015 Masterclass 2015

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 1 cellule Plans de cellules Détecteurs de traces compartimentés en petites cellules On peut savoir ou la particule est passée avec une grande précision 17/03/2015 Masterclass 2015

Mesure de l’énergie 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

Les muons 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

Les neutrinos 17/03/2015 Masterclass 2015

Une particule invisible… Mais on peut déduire sa présence des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement : 𝐸 𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝐸 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑚 𝑣 𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 =𝑚 𝑣 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 Dans le plan transverse au faisceau 17/03/2015 Masterclass 2015

Résumé 17/03/2015 Masterclass 2015

Mais ce n’est pas si simple que cela… 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

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 ) 17/03/2015 Masterclass 2015

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…) 17/03/2015 Masterclass 2015

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 17/03/2015 Masterclass 2015

Mis à part çà, a quoi çà sert… … les sciences fondamentales ? 2015 : Année mondiale de la Relativité Générale : Sans Relativité Générale, pas de GPS ! Le transistor est à la base de toute notre technologie Sans Mécanique Quantique, pas de transistor ! … la physique des particules ? L’imagerie médicale Le World Wide Web Grille de Calcul et Big Data 17/03/2015 Masterclass 2015