Les accelérateurs de particules Le LHC

Le LHC
Un grand instrument pour la
physique des hautes energies
Claude Hauviller
CERN
Conférence Européenne
de la Culture
Lausanne, 9 décembre 1949
Le caractère universel et très
souvent désintéressé de la
recherche scientifique semble
l’avoir prédestinée à travailler
dans une mutuelle et fructueuse
collaboration. Aussi cette forme
de coopération doit-elle être un
des objectifs les plus immédiats
de ceux qui endossent la tâche de
rapprocher les peuples européens
et de faire collaborer les valeurs
diverses au progrès de la
civilisation.
Louis de Broglie
1892 - 1987
C. Hauviller
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CERN
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
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•
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Fondé en 1954 par 12 pays
Aujourd’hui: 20 pays membres
~750 M€ de budget annuel
2400 employés permanents
Plus de 8000 utilisateurs dans le monde
2004: The 20 member states
C. Hauviller
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Répartition des utilisateurs (2006)
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C. Hauviller
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La taille des choses
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C. Hauviller
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Les instruments du métier
1. Les accélérateurs linéaires ou
circulaires: de puissantes machines
capable d’accélérer des particules jusqu’à
de très hautes énergies avant de les faire
entrer en collision avec d’autres particules
2. Les détecteurs : des
instruments gigantesques qui
enregistrent les particules issues
des collisions
3. L’informatique : pour collecter,
stocker, répartir et analyser les
énormes quantités de données
produites par les détecteurs
C. Hauviller
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Pourquoi un accélérateur de
particules?
• Pour casser des particules afin d’en connaître la
structure
• Créer des collisions entre particules élémentaires:
électrons, protons
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C. Hauviller
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Comment casser des particules
1. Dissocier des
molécules d’hydrogène
2. Accélérer des faisceaux
de particules à la
vitesse de la lumière
(300 000 000 m/s)
3. Provoquer des
collisions contre une
cible ou entre faisceaux
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Et obtenir des traces dans
un détecteur
(+30 minimum bias events)
All charged tracks with pt > 2 GeV
Reconstructed tracks with pt > 25 GeV
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Accélérer les faisceaux de particules
Dans le vide
• Pour éviter les collisions aléatoires avec les
molécules de gaz
• Tubes à vide très propres mieux que le vide
inter-sidérale (UHV)
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Accélérer les faisceaux de particules
Avec un champ électromagnétique
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Lutter contre les forces de répulsion
entre particules
• Paquets de particules de même charge électrique
(protons + ou électrons -)
• Utiliser un champ magnétique pour comprimer les
paquets de particules
• Champ magnétique périodique: gradient alterné
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Courber les faisceaux de particules
• Utiliser un champ magnétique
• Loi de Laplace: champ magnétique, courant,
force
B
r
r r r
F = q ⋅ (E + v × B)
v
F
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C. Hauviller
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Les éléments d’un accélérateur
circulaire
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C. Hauviller
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Le LHC
Large Hadron Collider
Grand Collisionneur à Protons
Un grand instrument
Une collaboration mondiale
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C. Hauviller
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LHC:
De la première idée à la réalisation
26 ans !
1982 : Premières études pour le projet LHC
1983 : Z0 détecté au SPS proton et antiproton collider
1989 : Début d'opération du LEP (Z-factory)
1994 : Approbation du LHC par le Conseil du CERN
1996 : Décision finale pour la construction du LHC
1996 : Opération du LEP : 100 GeV (W-factory)
2000 : Fin de l'opération du LEP
2002 : Le LEP est démonté
2003 : Début de l'installation du LHC
2005 : Début de la mise en service des équipements
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2008 : Premiers faisceaux
C. Hauviller
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LHC: Paramètres principaux
• Collision de faisceaux de protons avec une énergie de
14 TeV (7 TeV par faisceau)
• Luminosité: 1034 cm-1 s-2 correspondant à environ
109 événements par seconde
• Pour obtenir une quantité de mouvement de 7 TeV/c
avec un rayon de 2805 m (tunnel du LEP), il faut un
champ magnétique B de 8,33 Tesla
(champ magnétique terrestre: 2 10-5 Tesla)
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C. Hauviller
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Augmenter la puissance des aimants
sans augmenter l’énergie nécessaire
à l’opération
• Utiliser la supraconductivité: propriété de certains
matériaux qui n’ont pas de résistance au passage du
courant électrique
• Actuellement, seulement à très basse température
pour des matériaux industriels: températures
cryogéniques aux environs du zéro absolu
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Matériaux supraconducteurs
• Fils de NbTi (6 microns de diamètre) dans une matrice en
cuivre de haute pureté
7000 km de câble Cu/Nb-Ti
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Aimants dipolaires
Bobines magnétiques de 17 mètres de long
Intensité jusqu’à 13000 Ampères
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Températures cryogéniques
0 K= - 273,15 oC
Hélium liquide : 4,2 K
Hélium super-fluide: 1,9 K
Très instable thermiquement:
1. Un point chaud dans le supraconducteur
provoque une vaporisation locale de l’hélium
2. La température locale augmente
3. La résistance locale augmente
4. Effet Joule: le conducteur fond…
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C. Hauviller
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Encore quelques chiffres !
•
Un faisceau contiendra 2808 “paquets” de 1,15x1011 protons espacés de
25 ns soit un total d’environ 3 1014 protons
Un grain de poussière (dimension ~100µm) contient ~1017 protons.
Il faut environ 6x1023 protons pour faire un gramme de matière
Le nombre de protons d’un faisceau est environ 1/1000ème de celui d’un
grain de poussière!
Les faisceaux circuleront environ 10h dans le LHC avant d’être remplacés
Ils auront parcouru ~100 Unités Astronomiques, soit 3 fois la distance à
Pluton
•
Chaque proton sera accéléré à 7TeV ( 1TeV = 1012eV = 1,6x10-7Joule)
Il aura une énergie supérieure à 7000 fois sa masse (mpC2)
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Paramètres LHC pour 7 TeV
(protons)
Energie stockée dans un faisceau:
2808x1,15x1011x7x1,6x10-7J = 362 MJoule
•
l’énergie d’un TGV (400T) lancé à 150 km/h!
•
suffisant pour faire fondre 500Kg de cuivre!
Energie stockée dans le système magnétique:
10 GJoule
•
l’énergie d’un Airbus A380 volant à 700 km/h
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Technologies-clés du LHC
•
Aimants supraconducteurs à champ élevé
– 1250 t de supraconducteur Nb-Ti, 7000 km de câble Rutherford
– Isolation électrique à caractéristiques mécaniques, thermiques et diélectriques
contrôlées aux basses températures
– Matériaux de structure aux propriétés mécaniques et magnétiques contrôlées aux
basses températures
– Techniques avancées de mesures et d’essais magnétiques
– Alimentation & protection de dispositifs supraconducteurs
– Amenées de courant utilisant des supraconducteurs à haute Tc
– Convertisseurs de puissance de haute précision avec grande dynamique
•
Cryogénie de puissance à l’hélium superfluide (< 2K)
–
–
–
–
–
•
Refroidissement à HeII pressurisé/saturé (écoulements diphasiques)
Refroidissement à l’hélium faiblement supercritique (écrans de faisceau)
Cryostats & techniques d’isolation thermique à grande échelle
Réfrigération hélium de grande puissance à haute efficacité
Logistique & stockage de fluides cryogéniques (140 t He)
Vide
–
–
–
–
C. Hauviller
Techniques d’étanchéité et détection de fuites
Vide secondaire pour l’isolation cryogénique
UHV cryogénique soumis à effets dynamiques par les faisceaux circulant
Pompage distribué NEG sur chambres UHV à température ambiante
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Où est le LHC?
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Le LHC est installé dans son tunnel
d’une circonférence de 26 659m
(27km)
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Profondeur entre 50m et 150m
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LHC: Le tunnel et ses services
Eau
Gaz
Électricité
Contrôles
Sécurité
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LHC: La construction et l‘installation
en quelques chiffres
•
•
•
•
•
•
390 000 équipements recensés
100 000 tonnes de matériel en souterrain
5 ans d’installation
10 000 aimants
1 700 alimentations électriques (en souterrain)
50 000 soudures étanches à l’UHV
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Approvisionnement et logistique
Qualité & quantité au bon endroit au
bon moment
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Une fourniture internationale
Conception et fabrication
laboratoires internationaux
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90 gros contrats de fourniture
Europe in details
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Transport souterrain
392 main
quadrupoles +
2500 corrector
magnets
Installed dipole
(1232 dipoles)
SSS being transported
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Mise en place des cryo-aimants
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Préparation de l’interconnexion
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Interconnexion entre aimants
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Fermeture étanche des tuyauteries
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La chaine d’accélérateurs du CERN
From LINAC to LHC…
??
H
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Le détecteur ATLAS
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L’aimant toroidal d’ATLAS
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Un volume de données à
traiter sans précédent
Ballon
(30 km)
Pile de CD avec
un an de données
du LHC(~ 20 km)
12-14 petaoctets/an
(1 petaoctet = 1 million de
gigaoctets)
6 cm
Concorde
(15 km)
50 CD-ROM
= 35 gigaoctets
Mont Blanc
(4.8 km)
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C. Hauviller
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Faire travailler une montagne de
processeurs
~100’000 Intel Pentium 3 à 4 GHz !
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C. Hauviller
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Déjà entendu parler du WEB ?
Tim Berners-Lee
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C. Hauviller
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Vers une « grille de calcul» mondiale
100’000 processeurs
EGEE
Performance
Enabling Grids for E-sciencE
2000 processeurs
Cluster
Super-ordinateur
1980
1990
2000
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C. Hauviller
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Merci pour votre attention
Pour en savoir plus: http//www.cern.ch
CERN, the place where the WEB is born.
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C. Hauviller
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