LAL, LHC & Communication 2 février 2011 Nicolas Arnaud (IN2P3-CNRS)  Le Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire : un grand laboratoire de recherche en physique  Zoom sur le collisionneur LHC au CERN  Communication  vers le grand public  vers le monde scolaire – enseignants & élèves

Le Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire 2

Présentation générale  Le LAL est situé sur le campus de l’Université Paris Sud (Paris XI), entre Orsay et Bures sur Yvette  Site web :  Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire : LAL  Nom historique : le grand accélérateur linéaire a cessé ses activités en Le LAL vient d'en construire un petit, PHIL, pour la R&D.

Présentation générale  Le LAL est une unité mixte de l’IN2P3/CNRS et de l’Université Paris Sud  CNRS : Centre National de la Recherche Scientifique  Un organisme public de recherche : personnes, budget de 3,4 milliards d’€  IN2P3 : Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules  Un des dix instituts [structures regroupant plusieurs disciplines proches] du CNRS  L’un des deux instituts nationaux ; créé en 1971  Unité mixte : le LAL rassemble des chercheurs CNRS et des enseignants-chercheurs qui dépendent de l’Université Paris Sud et enseignent sur le campus

Présentation générale  Le plus grand laboratoire de l’IN2P3/CNRS consacré à la physique des particules et à la cosmologie :  ~120 chercheurs (70% / 30%) répartis en une douzaine de groupes  ~200 ingénieurs et techniciens  Budget annuel hors salaires : 9 millions d’€  Implication dans des expériences sur plusieurs continents : Europe, Etats-Unis, Argentine, Japon et même… dans l’espace  Six services techniques, beaucoup d’activités R&D sur accélérateurs

Le domaine de recherche du LAL  Au LAL, on étudie les constituants de la matière : les particules élémentaires  Combien sont-elles ?  Quelles sont leurs propriétés ?  Quelles sont les forces qui les gouvernent ?  Ce monde, « l’infiniment petit », a des liens étroits avec celui de « l’infiniment grand », c’est-à-dire l’étude de l’Univers.  Au LAL des groupes s’intéressent également à la composition de l’Univers et à son histoire, du Big- bang jusqu’à nos jours.  Satellite Planck  On observe aussi des particules en provenance de l’espace !  Ces études demandent d’importantes ressources techniques & informatiques.

1956 – 2010 : survol de l’histoire du LAL 7 Chantier du LAL fin 1957 ADA au LAL en1962 : premier collisionneur e + e  ACO vers 1965 Le site du LAL en 1981 DCI (Dispositif de Collisions dans l’Igloo), années 1970 ACO aujourd’hui : un musée & un monument historique

Le LHC 8

Le LHC au LAL  Un projet phare :  ~50% des physiciens du LAL impliqués dans deux expériences, ATLAS et LHCb  Importantes contributions techniques pour les détecteurs et l’accélérateur 9 Tunnel du LHC ATLAS vu de face LHCb vu de côté Anneau LHC dessiné à l’échelle sur une photo aérienne de la région de Genève

Le CERN  Nom officiel : « Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire »  Plus grand laboratoire de physique des particules au monde :  ~ 3000 employés à plein temps  ~ 6500 scientifiques y réalisent leurs expériences  Créé le 29 septembre 1954  Vingt états membres + pays « observateurs » ou « participants »  Le CERN est situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse  Internet a été inventé au CERN au début des années 1990 ! 10 France Suisse Genève Pays fondateurs Pays devenus membres ensuite

Le LHC  Anneau quasi-circulaire de ~27 km de circonférence creusé à ~100 m sous terre  2 faisceaux de protons (ou d’ions Pb selon les périodes ) y circulent en sens opposé  Ils se croisent au centre de 4 détecteurs géants (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb) où se produisent les collisions dont les produits sont étudiés par les physiciens  Les particules sont accélérées par tout une série d’accélérateurs en amont ; la dernière phase de ce processus a lieu dans l’anneau LHC lui-même 11 France Genève Jura

Des collisions dans les détecteurs 12  Collision de particules accélérées  « Grain » d’énergie  Nouvelles particules Accélérateur E = mc 2 Détecteur  On étudie les propriétés des particules produites pendant les collisions et on compare les résultats obtenus aux prédictions théoriques

Le LHC en quelques chiffres  Consommation d’électricité : ~ 400 GWh/an (5% de la consommation de la SNCF)  Les particules accomplissent tours / seconde à la vitesse de la lumière  La pression dans le tube à vide est 10 fois inférieure à celle sur la Lune  Les aimants sont au nombre de environ ; ils sont refroidis à -271,3  C  Plus froid que l’espace intersidéral ! En fonctionnement nominal (pas encore atteint) :  Les particules se croiseront ~ 40 millions de fois par seconde dans les détecteurs et chaque interaction produira ~ 20 collisions proton-proton  Il y aura ~ de protons en même temps dans le LHC  L’énergie stockée dans le faisceau équivaudra à celle de 80 kg de TNT aimants 240 kg  L’énergie des collisions sera de 14 TeV (7 TeV actuellement) 13

Un petit tour du côté des détecteurs  Des cathédrales de métal et d’électronique !  Dimensions de plusieurs dizaines de mètres  Poids de plusieurs milliers de tonnes (  Tour Eiffel)  Des millions de canaux électroniques recoivent des informations lors des collisions  Les particules déposent de l’énergie en traversant les différents détecteurs ; ces dépôts sont convertis en signaux électriques puis lus  Surfaces/volumes actifs, câbles, alimentations, etc.  Volume total de données : ~ plusieurs Encyclopédia Universialis / seconde  Impossible de tout conserver  Tri en temps réel des événements : drastique et très performant  Données stockées et analysées au moyen de milliers d’ordinateurs répartis dans des centaines de centres de calcul du monde entier  Chaque collaboration du LHC compte plusieurs milliers de membres 14 Suisse Genève Taille des détecteurs ATLAS et CMS

Un détecteur en physique des particules 15  Structure en poupée russe  Chaque couche a une fonction précise  Trajectographe(s)  Sui(ven)t les particules chargées  Calorimètre(s)  Mesure(nt) les énergies des particules  Détecteurs de muons  Fort champ magnétique  Dépôt d’énergie  signal électrique  Conversion analogique  > 10 6 canaux d’électronique  Sélection des événements intéressants en temps réel Schémas adaptés du détecteur CMS (LHC)

Le LHC ne s’est pas construit en un jour  1994 : Approbation du projet LHC par le CERN  Démarrage de la R&D et des études de faisabilité dans les années 1980  : Approbation des 4 grandes expériences  2000 : arrêt de l’accélérateur précédent (le LEP)  Démantèlement (même tunnel !) et démarrage de la construction du LHC  Fin 2007-début 2008 : fin de la construction après plusieurs retards  10 septembre 2008 : démarrage officiel du LHC  Premier tour complet de protons dans l’anneau de 27 km  19 septembre 2008 : incident électrique   au niveau d’une interconnexion entre 2 aimants  14 mois d’arrêt  23 octobre 2009 : redémarrage  Suivi d’une montée en puissance graduelle  30 mars 2010 : premières collisions à 7 TeV  Début de l’exploitation scientifique du LHC 16

Le meilleur est à venir  Objectif premier du LHC : répondre à la question, « Le boson de Higgs existe-t-il ? »  Autres buts de physique :  Chercher des signes de physique nouvelle au-delà du Modèle Standard  Tester des théories plus générales, proposées pour complèter le Modèle Standard  Découvrir la nature de la mystérieuse matière noire  Améliorer notre connaissance des différences entre matière et antimatière  Observer et étudier un nouvel état de la matière nucléaire, le plasma de quark-gluon, qui a dû exister juste après le Big-bang  ???  Depuis la fin mars, le taux de collisions a augmenté de manière très significative :  L’objectif est d’accumuler d’ici fin 2011 une quantité de données suffisante pour produire des résultats de physique compétitifs  La prise de données est prévue jusqu’en 2030, avec des améliorations techniques régulières au cours des années (énergie, taux de collisions, etc.)

Au fait, que se passe-t-il au LHC actuellement ?  Statut de l’accélérateur     Informations en provenance de détecteurs   18 Suisse

Pour en savoir plus  Le site LHC-France  Site grand public du CERN  Sites grand public des expériences du LHC :  ALICEhttp://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.htmlhttp://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html  ATLAShttp://atlas.ch/  CMS  LHCb  Films disponibles gratuitement sur le web :  Film “Bottle to Bang” produit et dirigé par Chris Mann (© CERN, 2008)  Film « LHC First Phyics » (© CERN video productions, 2010) 19

La communication au LAL 20

Le LAL & la communication  Visites grand public et de scolaires sur demande  Participation chaque année aux Masterclasses du CERN  La revue de vulgarisation « Élémentaire »  Le « Passeport pour les 2 Infinis »  Sciences-ACO  L’affiche des composants élémentaires de la matière 21

La revue Élémentaire  Revue de vulgarisation ( ) format A4,  64 pages, en couleur  Cible : grand public avec une formation scientifique niveau secondaire  Fil rouge : le LHC  De nombreux sujets abordés :  Grandes questions scientifiques  Articles théoriques  Perspectives historiques  Développements technologiques  Retombées  8 numéros publiés  1 thème central pour chaque numéro  Tous disponibles sur le site de la revue 22

Le passeport pour les 2 infinis  Un livre réversible de 192 pages couleur (Dunod)  Côté pile : vers l’infiniment petit  Côté face : vers l’infiniment grand  Courts articles (2 pages)  Principales notions du domaine  Description des grandes expériences actuelles (Planck, LHC, etc.)  Quelques fiches plus appliquées + un glossaire fourni pour conclure chaque partie  Plus de cinquante contributeurs du CNRS, du CEA et de l’Université  Comité de rédaction de sept chercheurs et ingénieurs  Livre disponible gratuitement pour les enseignants du secondaire et du supérieur  Site web :  Fiches pédagogiques élaborées par des professeurs à partir d’articles du livre  Rencontres avec des enseignants et le grand public  DVD en projet  Forum, tutorat, salle virtuelle sur 2 nd life, etc. 23

Sciences-ACO  A 100 mètres de l’entrée principale du LAL  Un accélérateur de pointe en son temps, parfaitement conservé  Une opportunité rare de voir un collisionneur d’aussi prêt  Excellent complément à la visite de SOLEIL sur le plateau de Saclay  ACO est un « ancêtre » des accélérateurs actuels  SOLEIL, LHC  Visites guidées sur demande  Ouverture pour la Fête de la Science & les Journées du Patrimoine 24

Merci pour votre attention Bonne conférence pour l’année mondiale de la chimie !

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