Création et détection des particules : LHC et CMS Masterclasses 2012, IPHC Strasbourg

Création de particules

Collisions : la transformation de l'énergie p Energie = mouvement Energie = masse + mouvement nouvelles particules E = m c2 (théorie de la relativité)

L’univers quantique : le royaume des probabilités Un type de collision p p Plusieurs types d’événements Processus nouveau et rare Processus connus Détecteur : Tri/comptage 102 collisions 103 collisions 106 collisions 109 collisions Nbre événements observés

Créer le royaume des probabilités Créer le royaume des probabilités ! Le LHC = Large Hadron Collider = Grand Collisionneur de Hadrons Des paquets de protons sont accélérés presque à la vitesse de la lumière 40 millions de croisement des faisceaux par seconde 1-20 collisions par croisement ATLAS LHCb ALICE CMS

Prouesses technologiques du LHC 27 km de circonférence, à 100 m sous terre, à proximité des nappes phréatiques et du Jura ! 1600 électro-aimants supraconducteurs

Prouesses technologiques du LHC Un endroit plus froid que le vide intersidéral : -271 ºC, soit 1.9 K Des tubes à faisceau ultra vides, 10-13 atmosphère

Quelles particules sont produites dans les collisions ? P(3.5 TeV) → ← p(3.5 TeV) Toutes les particules connues sont susceptibles d'être produites ! W Z γ g

Détection des particules

Détection des particules De façon directe : les particules stables : électrons, muons, photons De façon indirecte : les particules instables : taus, tops, W... →détection des particules filles les particules qui n'existent pas à l'état libre : les quarks et gluons s'hadronisent ! →détection des objets composés : hadrons chargés et neutres q _ q

Observer toutes les particules : → géométrie hermétique Rôles du détecteur Mesurer l'énergie des particules = calorimètre Vue en perspective Observer toutes les particules : → géométrie hermétique Vue transverse Individualiser les trajectoires des particules = trajectomètre Bilan : 0 = Σ énérgies → E(manquante) = - Σ E(mesurées) E(manquante) E(mesurée)

Trajectomètre Mesurer la charge des particules → nécessite un champ magnétique qui courbe les trajectoires suivant la charge Le principe de base photon(γ) → e+ + e- Détecteurs très segmentés (→ très nombreux pixels) Ionisation des atomes La « vraie » vie 12

Les muons échappent aux 2 pièges ! Calorimètre Le principe de base : arrêter la particule ET mesurer un signal Milieu dense ET transparent = cristal dopé au plomb Adapté aux particules légères : électrons, photons Plaques de métal Milieu scintillant et transparent Les muons échappent aux 2 pièges ! Adapté aux particules lourdes: hadrons neutres ou chargés Segmentation obligatoire pour séparer les particules

Un détecteur complet : CMS muon électron hadron chargé hadron neutre photon trajectomètre calorimètre électromagnétique chambres à muons calorimètre hadronique aimant supraconducteur

CMS en vrai... 12500 tonnes, 21m de long, 15 m de large, 15 m de haut