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

Présentation au sujet: "Accélérateurs et Détecteurs E. Cogneras LPC Clermont / Univ. Blaise Pascal."— Transcription de la présentation:

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

2 LE LHC en chiffres  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) 07/03/2016 Pourquoi déployer autant d’efforts et une telle énergie ? Masterclass 2016 2

3 Pourquoi accélérer les particules  Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …)  Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en masse 07/03/2016 Petite masse, grande énergie Particule de grande masse Masterclass 2016 3

4 Création de nouvelles particules Explorer les forces et les particules fondamentales de la nature 07/03/2016Masterclass 2016 4

5 Quelles sont nos forces ? 07/03/2016Masterclass 2016 5

6 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. 07/03/2016Masterclass 2016 6

7 Avant d’accélérer les particules, il faut les produire !  Un exemple : Les protons du LHC 07/03/2016Masterclass 2016 7 Charges -Charges - Charges +Charges +

8 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 ! 07/03/2016Masterclass 2016 8

9 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. 07/03/2016Masterclass 2016 9

10 Cavités accélératrices Ce système marche aussi bien pour accélérer des électrons que des protons 07/03/2016Masterclass 2016 10

11 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. 07/03/2016Masterclass 2016 11

12 Mais ce n’est pas si simple… Rayonnement synchrotron  Les particules accélérées perdent de l’énergie lors de leur rotation: 07/03/2016  Solutions ?  Augmenter la masse (m) des particules accélérées : protons au lieu d’électrons  Augmenter le rayon (R) de l’accélérateur Masterclass 2016 12

13 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 07/03/2016Masterclass 2016 13

14 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 07/03/2016Masterclass 2016 14

15 Le LHC : Vue du ciel 07/03/2016 situé à côté du CERN près de Genève Masterclass 2016 15 Lac Léman Mont Blanc Genève LHCb Atlas Alice

16 Le LHC : schéma en sous-sol 07/03/2016Masterclass 2016 16

17 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 = 10 9 eV  1 TeV = 10 12 eV 17 07/03/2016Masterclass 2016

18 Le lièvre et la tortue dans le tunnel ! 07/03/2016Masterclass 2016 18

19 Tube en coupe 07/03/2016Masterclass 2016 19

20 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 07/03/2016 quelques mm Masterclass 2016 20

21 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 07/03/2016Masterclass 2016 21

22 Détecteurs du LHC AtlasCMS LHCb Alice 07/03/2016Masterclass 2016 22

23 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 ?? 07/03/2016 Construction de détecteurs spécifiques pour observer ou reconstituer le passage d’une particule Masterclass 2016 23

24 Comment doit être notre détecteur ?  On doit pouvoir détecter et reconnaître des centaines de particules différentes  On va utiliser leurs propriétés :  Trajectoire  Vitesse (en fait, quantité de mouvement = masse × vitesse)  Charge  Masse  Energie  En tenant compte de leur mode d’interaction avec la matière 07/03/2016Masterclass 2016 24

25 Mode d’interaction 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) 07/03/2016 Détecteur :  Une partie pour la mesure de la vitesse et la charge  Une autre pour la mesure de la trajectoire  Une autre pour la mesure de l’énergie Détecteur :  Une partie pour la mesure de la vitesse et la charge  Une autre pour la mesure de la trajectoire  Une autre pour la mesure de l’énergie Masterclass 2016 25

26 MESURE DE LA VITESSE ET DE LA CHARGE 07/03/2016Masterclass 2016 26

27 Un aimant pour mesurer la masse, la vitesse et la charge ! 07/03/2016Masterclass 2016 27

28 MESURE DE LA TRAJECTOIRE 07/03/2016Masterclass 2016 28

29 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 07/03/2016  Détecteurs de traces compartimentés en petites cellules  On peut savoir ou la particule est passée avec une grande précision 1 cellule Plans de cellules Masterclass 2016 29

30 MESURE DE L’ÉNERGIE 07/03/2016Masterclass 2016 30

31 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 07/03/2016Masterclass 2016 31

32 LES MUONS 07/03/2016Masterclass 2016 32

33 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 07/03/2016Masterclass 2016 33

34 LES NEUTRINOS 07/03/2016Masterclass 2016 34

35 Une particule invisible… 07/03/2016 Dans le plan transverse au faisceau Masterclass 2016 35

36 Résumé 07/03/2016Masterclass 2016 36

37 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 37 07/03/2016Masterclass 2016

38 Mis à part çà, a quoi çà sert…  … les sciences fondamentales ?  2015 : Année mondiale de la Relativité Générale :  Sans Relativité Générale, pas de GPS !  2016 : Année mondiale de la Lumière  Sans les équations de Maxwell, point d’antenne !  Le transistor est à la base de toute notre technologie  Sans Mécanique Quantique, pas de transistor !  … la physique des particules ? 07/03/2016 Grille de Calcul et Big Data L’imagerie médicale Le World Wide Web Masterclass 2016 38