Transparents - indico in2p3

Accélérateurs
et
détecteurs de particules
Masterclass de Clermont-Ferrand
Mars 2012
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Qu’est-ce qu’un accélérateur de
particules ?
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Objectif
• Provoquer des collisions de particules (électrons,
protons, …)
• Durant cette collision, l'énergie cinétique
des particules est convertie en matière
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Création de nouvelles particules
 explorer les forces et les particules
fondamentales de la nature
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Avant d’accélérer les particules, il faut les produire !
• Par exemple : 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.
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Accélération : champ fixe
• Une particule chargée placée
dans un champ électrique est
accélérée.
• Cependant ils sont limités à
des accélérations d’une
dizaine de MégaVolts.
• Les accélérateurs modernes
ont besoin de centaines de
GigaVolts !
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Accélération : champ alternatif
• 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.
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Cavités accélératrices
Ce système marche aussi
bien pour accélérer des
électrons que des protons
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Synchrotron : 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.
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Mais pas si simple…
• Les particules accélérées
perdent de l’énergie lors
de leur rotation:
• Solutions ?
• Augmenter la masse (m) des particules
accélérées : protons au lieu d’électrons
• Augmenter le rayon (R) de l’accélérateur
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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 quadrupoles
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Résumé : accélérateur
• Il 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.
• Des espaces sont réservés aux
zones d’interaction (Impact Point).
Q
D
IP
RF
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Le LHC: Large Hadron Collider
situé à côté
du CERN
près de Genève
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Le LHC
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Le LHC en chiffres
• La plus grande machine du monde : 27 km de
circonférence, 9300 aimants, 10 000 tonnes
d’azote liquide, 120 tonnes d’hélium liquide.
• Température : -271° C, plus froid que
l’espace intersidéral !
• Vide extrêmement poussé: 1/10 de la pression
sur la lune.
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Le faisceau du LHC
• 2800 paquets contenant chacun 100 milliards de protons
• Energie totale d’un faisceau ≈ 350 Méga Joules
= 1 TGV à 150 km/h !
• Point de collision de la taille d’un diamètre de cheveux
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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
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Détecteurs du LHC
Atlas
LHCb
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CMS
Alice
Contraintes pour le détecteur
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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’absorbeurs (milieu
dense) et de volumes sensibles.
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Les muons sont des particules chargées, on les voit dans le
détecteur de traces, mais ils ne s’arrêtent pas dans les
calorimètres.
Les chambres à muons sont placées « après tout le reste » il y a
donc une grande quantité de matière en amont. Les particules
autres que les muons (et les neutrinos) ne les atteignent pas.
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Arg ! Une particule invisible !
On peut déduire son passage des lois de conservation.
En particulier la loi de conservation du vecteur M v.
Dans le plan transverse au faisceau
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