Accélérateurs et l`expérience ATLAS au LHC
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Accélérateurs et l’expérience ATLAS au LHC Frédérick Dallaire JIPPUM 11 octobre 2016 Plan • Revue des accélérateurs • types, avantages/désavantages • expériences marquantes • Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) • principales caractéristiques • Expérience ATLAS au LHC • identification des particules dans le détecteur 2 Aperçu • Avantages des accélérateurs : • haute fréquence de création de particules • contrôle des paramètres de l’expérience (point de collision, énergie, fréquence, etc.) • Les collisionneurs ne sont pas le seul moyen pour faire de la physique des particules à haute énergie • énergie ultime atteinte dans les rayons cosmiques • pas optimal pour l’étude de particules très communes dans la nature (neutrinos, protons, électrons, neutrons, etc.) • Nobel 2015 → Arthur McDonald, SNOLAB 3 Pourquoi les hautes énergies? • Physique des particules → étude des particules fondamentales, de l’infiniment petit • Accélérateur de particules → outil pour sonder la matière • analogue au microscope • Dualité onde-particule : d’après la Mécanique Quantique, une particule élémentaire possède également les propriétés d’une onde • longueur d’onde de De Broglie : λ = h/p • Expérience de Rutherford : p ≈ 10 keV → λ ≈ 10-10 m • Découverte des quarks: p ≈ 10 GeV → λ ≈ 10-17 m • LHC 2015 (14 TeV) : p ≈ 7 TeV → λ ≈ 10-20 m 4 Types d’accélérateurs • Cible fixe • faisceau de particules envoyé sur une cible fixe • plus facile techniquement, domine la physique des hautes énergies avant les années ’70 • encore utilisés de nos jours • Collisionneurs • particules circulent en direction opposée • détecteur situé autour du faisceau (cylindre) • plus hautes énergies accessibles → production de nouvelles particules massives 5 Lequel choisir? • Collisionneurs : Ecm ≈ √4E1E2 • avantages : • très grande énergie! • recycler le faisceau • collisions de particules fondamentales • Cible fixe : Ecm ≈ √2mcEf, masse d’une particule de la cible (mc) • avantages : • grande variété de types de faisceaux et de cibles • plus grande section efficace → plus de particules dans bloc de béton que dans un paquet de protons (1011) 6 À travers le temps • Quark c (J/ψ) → 1973 • SPEAR au SLAC → e+e- à √s = 3-7 GeV • Brookhaven (BNL) → proton de 28 GeV sur cible de Be • Quark b → 1977 • Fermilab (FNAL) → proton de 400 GeV sur noyaux • Bosons W et Z → 1984 • CERN SPS → collisions proton-antiproton à √s = 540 GeV • Quark top → 1995 • FNAL Tevatron → proton-antiproton à √s = 1.8 TeV • Boson de Higgs → 2012 • CERN LHC → collision pp à √s = 7-8 TeV 7 Principes de base • Communs à tous les accélérateurs • Champ électrique → F = qE • accélération des particules • Champ magnétique → F = q (v ⇥ B) • aimant dipolaire → trajectoire circulaire • aimant quadrupolaire → focusser le faisceau de particules 8 Aimants Dipôle Quadrupôle • Succession de quadrupôles avec polarités inversées focalisation 9 Large Hadron Collider (1) • 27 km de circonférence • 100 m sous terre, frontière FrancoSuisse • √s = 13 TeV depuis été 2015 • Champ magnétique dipolaire de 8.3 T • bobine supraconductrice (T = 1.9 K), courant de 12 kA • Faisceau : jusqu’à 2808 paquets de 1011 protons • un paquet tous les 25 ns! • Plusieurs points d’interactions 12 1 TeV = 10 eV = 1.6 ⇥ 10 7 J 10 Large Hadron Collider (2) • Le taux de réaction R est donné par le produit de la section efficace σ et la luminosité L R= L nb de paquets • La luminosité est donnée par • Unités : N1 N2 L = fn 4 ⇥x ⇥ y protons/paquet taille trans. faisceau fréquence révolution • section efficace → barn (b) = 10-24 cm2 • probabilité d’interaction d’une particule pour une interaction donnée • luminosité → cm-2s-1 • taux d’événements par section efficace • LHC → ∼1034 cm-2s-1 • luminosité totale → barn inverse (b-1) • LHC à 13 TeV → ~30 fb-1 11 youtube.com/watch? v=HCFqVpLz8j8 12 Expérience ATLAS • Collaboration : 3000 physiciens, 174 instituts, 38 pays • Détecteur : • cylindre de 46 m de long x 25 m de diamètre • 7000 tonnes! • 3000 km de câbles • Détecter les particules créées par les collisions • mesure leur énergie et impulsion • reconstruction du point de collision et des trajectoires • système de déclenchements (triggers) • enregistre environ 100 événements/seconde 13 ATLAS 14 Trajectographe 15 Calorimètres 16 Spectromètre à muons 17 Reconstruction 18
