Transparents - indico in2p3

Qu’est-ce qu’un accélérateur de
particules ?
Julien Donini
Laboratoire de Physique
Corpusculaire
Master Class
20/03/2015
Objectif
• But: provoquer des collisions de particules
(électrons, protons, …)
• Durant cette collision, l'énergie cinétique
des particules est convertie en matière
2
Objectif
• But: provoquer des collisions de particules
(électrons, protons, …)
Petite masse, grande
énergie
Particule de grande
masse
3
Création de nouvelles particules
 explorer les forces et les particules
fondamentales de la nature
4
Avant de les accélérer il faut les produire !
• Exemple: électrons
• Un filament chauffé
émet des électrons
• Si un champ électrique
est appliqué on peut
arracher ces électrons
5
Comment accélérer les particules ?
• On peut accélérer une particule chargée avec
un champ électrique
DV = 1 Volt
-
e-
+
Energie acquise : 1eV = 1,6 10-19 Joules
Accélérateurs limités à quelques MégaVolts alors
qu’on a besoin de centaines de GigaVolts
6
6
Accélération: champ alternatif
• Cavités
accélératrices
• Les particules
peuvent être
accélérées à des
énergies beaucoup
plus grande
7
Cavités accélératrices
• Ce système marche aussi
pour accélérer des protons
8
Synchrotron: accélérateurs circulaires
• Accélérateur
circulaire: il est
possible de réutiliser
plusieurs fois une
cavité accélératrice
• C’est le cas de la
plupart des
accélérateurs
modernes
9
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
10
Contrôle de la trajectoire
• Des aimants permettent
de courber la trajectoire
des particules
• Il faut aussi contrôler la
taille du faisceau de
particules: focalisation à
l’aide de quadrupoles
11
Résumé: accélérateur
Il est constitué
• d’aimants dipolaires
– maintien de la trajectoire
circulaire)
• d’aimants quadripolaires
– assurent la focalisation du
faisceau)
• des systèmes d’accélération
radiofréquence.
• De zones d’interaction du
faisceau
Q
D
IP
RF
12
Le CERN
Organisation Européenne de la Recherche Nucléaire
13
Le LHC: Large Hadron Collider
14
Succession d’accélérateurs
• Energie augmentée
graduellement par
différents
accélérateurs :
–
–
–
–
1,4 GeV
25 GeV
450 GeV
3,5 TeV
• 1 GeV = 109 eV
• 1 TeV = 1012 eV
15
Le LHC
16
Le LHC en chiffres
• La plus grande machine du monde: 27km de
circonférence, 9600 aimants, 10 000 t d’azote
liquide, 120 t d’He
• Température: -271° C, plus froid que l’espace
interstellaire !
• Vide extrêmement poussé: 1/10 de la pression
sur la lune
17
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
18
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
19
Atlas
LHCb
20
CMS
Alice
20
Contraintes pour le détecteur
• Les particules produites sont TRES petites (100
milliards de fois plus petites qu’une fourmi ou 1
milliard de fois plus petite qu’une cellule) et pour
certaines instables (durées de vie très courtes)
• On veut reconnaître des centaines de particules
différentes
21
Comment s’y prend-on ?
• On va utiliser les propriétés des particules
pour construire des détecteurs dédiés.
•
•
•
•
•
•
Façons d’interagir avec la matière
Trajectoires
Charge
Vitesse (ou plutôt impulsion masse x vitesse)
Masse
Energie
22
Façons d’interagir 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)
• Certaines n’interagissent (presque) pas
(muon, neutrino) il va falloir ruser ! Façon
d’interagir avec la matière
23
Mesure de la vitesse et de la charge
• Pour mesurer la charge et la vitesse
on utilise un aimant.
• En effet les particules chargées,
soumises à l’action d’un champ
magnétique, ont une trajectoire en
forme de spirale autour de la
direction du champ.
• Le rayon de courbure R=mv/qB
24
Mesure de la trajectoire
25
Mesure de l’énergie: calorimètres
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.
26
Les muons
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.
27
Les neutrinos: des particules (presque)
invisibles !
On peut déduire son passage des lois de conservation. En particulier la loi de
conservation du vecteur M v.
28
Résumé
29
L’empilement d’événements
•
Fenêtre
d’observation des
détecteurs : 20 ns
(1 ns = un milliardième
de seconde)
•
En 2011, le LHC
créait environ 10
collisions en 20 ns
•
Le détecteur les
voit simultanément
•
L’analyse va se
focaliser sur une
seule collision ( un
vertex )
30
Les filtres rapides
• Le volume de données de mesures
– 250 Tb/sec. par détecteur
• Un premier tri est indispensable
– Système de sélection propre à chaque
détecteur
• Par exemple : autorise l’enregistrement de
la collision s’il existe au moins une particule
de haute énergie
– A partir de 600 000 000 collisions / sec.
On sélectionne 200 collisions / sec.
• Volume 300 Mb/sec.
• Correspond à 15 Pb/an
(1000 fois les livres de la terre…)
31
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
32
Merci !