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

Objectif But: 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 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

Accélération: champ fixe Une particule placée dans un champ électrique est accélérée Accélération limitée: ne convient pas au accélérateurs modernes

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

Le LHC: Large Hadron Collider

Le LHC

Le LHC en chiffres La plus grande machine du monde: 27km de circonférence, 9300 aimants, 10 000 t d’azote liquide, 120 t d’He 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

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.