A Large Ion Collider Experiment ALICE A Large Ion Collider Experiment 28 Mai 2003 Yves Schutz

Recréer la “couleur” ALICE Le club de ceux qui fracassent des noyaux atomiques les uns sur les autres … Pourquoi ? Tenter de dissoudre le vide et de remonter le temps Comment ? Chauffer et comprimer la matière Observer un phénomène qui dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 15 milliards d’années écoulées depuis la naissance de l’univers, crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au cœur du soleil et compacte la matière de façon telle que la pyramide de Kheops tiendrait dans une tête d’épingle. Age de l’univers 10**17 secondes, duree de l’éclair 10**-6 seconde, duree du QGP 10**-23 seconde = 10 fm/c 28 Mai 2003 Yves Schutz

Au coeur de la matière é é O(10-10 m) O(10-15 m) < O(10-19 m) La matière est constituée de particules « élémentaires », la masse est concentrée dans le noyau atomique. La matière stable de l’univers est constituée de 4 particules élémentaires QUARKS LEPTONS 28 Mai 2003 Yves Schutz

Le Modèle Standard 12 constituants élémentaires 4 interactions La théorie des briques de l’univers et des forces qui les gouvernent: 12 constituants élémentaires 4 interactions graviton photon W, Z gluon 28 Mai 2003 Yves Schutz

Les questions ouvertes Comment les particules ont-elles acquises leur masse ? : mg,g=0, mt = 340.000 me ! Existe-t-il une force unique qui unifierait toutes les autres ? Pourquoi existe-t-il 3 familles de particules de matière ? Où est passée l’anti-matière ? Pourquoi l’univers stable est-il incolore ? Quelle est la nature du vide ? Quelle est la forme originelle de la matière ? Comment la masse vient aux objets qui nous entourent ? 28 Mai 2003 Yves Schutz

Chromodynamique Quantique: la théorie de l’interaction forte Une théorie formelle: Les quarks sont porteurs d’une charge appelée couleur; il y a 3 couleurs R, B, V L’interaction entre deux quarks s’accompagne de l’échange d’un gluon (mg=0) porteur d’une charge de couleur et de son anti-charge ! L’interaction forte est forte à grande distance et faible à petite distance ! Le vide est rempli de paires virtuelles quarks et anti-quarks Les phénomènes ne sont calculables que lorsque l’interaction est faible ! 28 Mai 2003 Yves Schutz

Chromodynamique Quantique: la théorie de l’interaction forte Des additifs empiriques: Les quarks (de valence) sont emprisonnés dans les hadrons (baryons et mésons) de façon à former des objets incolores L’interaction des quarks de valence avec le vide contribue à la masse des hadrons Il n’est pas possible d’isoler une charge de couleur q F=kr2 F=kr1 q F=kR2 q F=kR1 28 Mai 2003 Yves Schutz

Big Bang … Jusqu’à 10-6 secondes après sa naissance toute la matière de l’Univers est colorée: les quarks et les gluons se meuvent librement. Lorsque l’Univers s’est refroidit à environ 1012 K, il devient incolore: quarks et gluons sont emprisonnés pour toujours dans des particules dont il ne reste aujourd’hui que les protons et les neutrons. 28 Mai 2003 Yves Schutz

Refaisons le chemin inverse Pourquoi ? Observer l’interaction forte à l’œuvre Comment les constituants élémentaires de la matière interagissent Comment cette interaction a donné naissance aux objets composites formant l’univers 28 Mai 2003 Yves Schutz

Refaisons le chemin inverse Comment ? En chauffant le vide et ainsi créer dans un volume étendu une densité d’énergie suffisante Les collisions entre ions lourds accélérés à la vitesse de la lumière fournissent les « calories » nécessaires Compression Chaleur Plasma de quarks et gluons 28 Mai 2003 Yves Schutz

Le mini Big Bang Laboratoire t~10-23 s t~10-24 s T~1012 K T~5×1012 K 1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale Laboratoire 2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons 3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte: la matière tend vers l’équilibre 4. Le système de dilue et se refroidit 5. Quarks et gluons condensent pour former des hadrons t~10-23 s T~1012 K v/c = 0,99999993 Contraction de Lorentz : 7 fm  0,003 fm t~10-24 s T~5×1012 K 28 Mai 2003 Yves Schutz

Mini Big Bang : le film 28 Mai 2003 Yves Schutz

Accélérer des noyaux Les noyaux (atomes débarrassés de leur cortège d’électrons) sont accélérés par un champ électrique La trajectoire des noyaux est courbée par des aimants dipolaires Le flux des noyaux est focalisé par des aimants quadrupolaires 28 Mai 2003 Yves Schutz

LHC: champion du monde 27 km de circonférence 40 m sous terre Cryogénie à 1.9 K ×1012 Accélère p @ 7×1012 eV et ions @ 2,76×1012 eV (99,999993% c) Une collision libère jusqu’à 0,2×10-3 Joules, T=1,000×109 K ~108 ions croisent 108 ions 106 fois par seconde Seulement 8.000 collisions chaque seconde, dont 1% produisent des événements « extraordinaires »  28 Mai 2003 Yves Schutz

Thermodynamique : un cas connu l’eau Diagramme des phases ; Équation d’état (PV/T = Cte) Phases et Transitions de phase Ordre des transitions et point triple 28 Mai 2003 Yves Schutz

Thermodynamique de la matière Le Big Bang a démarré ici Thermodynamique de la matière Les collisions de Pb au LHC nous emmènerons là Et nous étudierons cette trajectoire Nous sommes ici 28 Mai 2003 Yves Schutz

QCD nous dit… Tc 173 MeV, mq0, Nf=2,3 Ordre de la transition : cross over c  0.3-1.3 GeV/fm3 28 Mai 2003 Yves Schutz

Observer le phénomène Juste pour rire … Imaginons notre terre gelé où l’eau n’existe qu’à l’état de glace ; La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons ; Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans certaines conditions de température, sous forme liquide ; La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les uns contre les autres ; Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de glaçons contenant chacun 100 millions de glaçons ; Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par seconde ; Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde 8.000 collision glaçons-glaçons ; L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur Mars… En divisant les dimensions par un facteur 1013, nous devenons l’observateur du LHC. 28 Mai 2003 Yves Schutz

ALICE : Pour répondre à ce défi 28 Mai 2003 Yves Schutz

Le programme imposé Environ 16.000 particules traversent le détecteur à chaque collision ; la densité atteint, près du point d’interaction 90 particules au cm2 ! Mesurer chaque particule individuellement: les compter, localiser leur trajectoire, identifier sa nature, déterminer son 4-moment ; Localiser leur origine à une centaine de mm près ; Identifier les événements intéressants et rares en moins de 100 ms ; Stocker les données 1,2 Go/s (2 CD/s) et 1 Po/an (une pile de CD de 4 Km) ; Donner accès aux données pour dépouillement à 1000 physiciens répartis dans 80 instituts de 28 pays différents. 28 Mai 2003 Yves Schutz

Un champ magnétique Identifier la charge Impulsion plus petite Mesurer l’impulsion Impulsion plus grande Impulsion plus petite 28 Mai 2003 Yves Schutz

Des matériaux sensibles sur le trajet des particules t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 28 Mai 2003 Yves Schutz

ALICE : Beaucoup de cellules partout … Pour localiser, segmenter le système en des centaines de millions de cellules sensibles ; Entourer le point d’interaction par des enveloppes de détecteurs Détecteur à rayonnement de transition (TRD): électrons Trajectographe interne (ITS): p, id Chambre à projection temporelle (TPC) : p, pid 28 Mai 2003 Yves Schutz

… et quelques détecteurs spécialisés Spectromètre de muons : Absorbeur passif B dipole Trajectographe Filtre Déclencheur Photons 28 Mai 2003 Yves Schutz

Comment ça marche Le trajectographe interne : 6 couches à localisation 2D de diodes Si Si-p Si-n -HV 300 mm - + 28 Mai 2003 Yves Schutz

3 technologies Si 256 anodes, 294 mm pitch 28 Mai 2003 Yves Schutz

Comment ça marche Le trajectographe principal : 1 chambre à projection temporelle -HV E E - - q,f - - - Temps d’arrivée 28 Mai 2003 Yves Schutz

TPC ALICE E E E E P b P Co2 insulation Drift volume 510 cm GAS VOLUME 88 m3 DRIFT GAS 90% Ne - 10%CO2 Co2 insulation E E E E Drift volume 5.6 m 88ms E 400 V / cm 1.6 P b P NE / CO2 88ms 510 cm E Central electrode Readout plane segmentation 18 trapezoidal sectors each covering 20 degrees in azimuth End plate 5 m 28 Mai 2003 Yves Schutz

Identification des particules p p p p Mesure de la perte d’énergie Mesure du temps de vol K K- p p- Trajectographie: charge et impulsion 28 Mai 2003 Yves Schutz

Encore plus fort Distinguer électrons et pions relativistes Lorsque une particule relativiste traverse un milieu inhomogène un rayonnement X est émis Choisir le milieu de façon à ce que seuls les électrons génèrent le rayonnement de transition Détecter à la fois la particule chargée et le rayonnement X Chambre multi-fils traditionnelle remplie d’un gaz lourd (Xe) 28 Mai 2003 Yves Schutz

Et pour finir Dense comme le plomb et transparent comme le cristal pour arrêter les photons Les photons se matérialisent en une cascade d’électrons et positons Les électrons excitent les atomes du cristal Les atomes se désexcitent en émettant des rayonnements UV Les rayonnements UV sont détectés au bout du cristal par une photodiode 28 Mai 2003 Yves Schutz

Des volts aux octets Le signal de chaque cellule (~16 millions) est traité par des systèmes électroniques hautement miniaturisés ; Le signal électrique est digitalisé pour être traité par l’informatique ; L’information est véhiculée par fibres optiques. 28 Mai 2003 Yves Schutz

Concevoir le détecteur Simulations : Générer des événements physiques selon l’état de l’art de la théorie Construire un détecteur virtuel et simuler sa réponse selon nos connaissances des interactions particules-matière Outils : Techniques de programmation : orientées objets Énormes puissances de calcul et moyens de stockage : calcul distribué 28 Mai 2003 Yves Schutz

3 million volumes 28 Mai 2003 Yves Schutz

Ce à quoi il faut s’attendre 60 << 62 Une collision : Pb+Pb @ 5.5 TeV dN/dy = 8,000 28 Mai 2003 Yves Schutz

Ce à quoi il faut s’attendre Une collision : p+p @ 14 TeV 20 collisions se superposent 28 Mai 2003 Yves Schutz

Pour traiter les données Yerevan CERN Saclay Lyon Dubna Capetown, ZA Birmingham Cagliari NIKHEF GSI Catania Bologna Torino Padova IRB Kolkata, India OSU/OSC LBL/NERSC Merida Bari Nantes Distribuer les tâches : les ressources CPU le stockage des données Sont réparties à travers le monde 28 Mai 2003 Yves Schutz

Exemple de mesure (1) 1. Matière ordinaire dN/d Angle relatif O 9O 18O Impulsion transverse dN/dp Fonction de fragmentation 28 Mai 2003 Yves Schutz

Exemple de mesure (1) 2. Matière de quarks dN/d Angle relatif O 9O 18O Impulsion transverse dN/dp Fonction de fragmentation 28 Mai 2003 Yves Schutz

Exemple de mesure (2) 1. Matière ordinaire B Masse dN/dp J/ = cc 28 Mai 2003 Yves Schutz

Exemple de mesure (2) 2. Matière ordinaire B Masse dN/dp J/ = cc 28 Mai 2003 Yves Schutz

ALICE aujourd’hui 28 Mai 2003 Yves Schutz