Transparents - indico in2p3

Accélérateurs et
Détecteurs
E. Cogneras
LPC Clermont / Univ. Blaise Pascal
LE LHC en chiffre

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 €

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)
(coût de 2 porte-avions CDG)
Pourquoi déployer autant d’efforts et une telle énergie ?
17/03/2015
Masterclass 2015
2
Pourquoi accélérer les particules
 Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …)
 Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est
convertie en masse
Petite masse, grande
énergie
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Particule de grande masse
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Création de nouvelles particules
Explorer les forces et les particules fondamentales
de la nature
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Quelles sont nos forces ?
 La technologie nous
permet de manipuler
seulement l’interaction
électromagnétique
 Pour agir sur les
particules, les seuls
moyens sont :
 La force électrique :
𝐹𝑒 = 𝑞 𝐸
 La force magnétique :
𝐹𝑚 = 𝑞𝑣 ∧ 𝐵
17/03/2015
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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.
17/03/2015
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Avant d’accélérer les particules, il faut les
produire !
 Un exemple : Les protons du
LHC
Charges +
Charges 17/03/2015
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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 !
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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.
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Cavités accélératrices
Ce système marche aussi
bien pour accélérer des
électrons que des protons
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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.
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Mais ce n’est pas si simple…
Rayonnement synchrotron
 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 quadripôles
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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).
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Q
D
IP
RF
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Le LHC : Vue du ciel
Mont Blanc
Lac Léman
Genève
situé à côté
du CERN
près de Genève
LHCb
Atlas
Alice
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Le LHC : schéma en sous-sol
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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 = 109 eV
 1 TeV = 1012 eV
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Le lièvre et la tortue dans le tunnel !
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Tube en coupe
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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
quelques mm
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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
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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 ??
Construction de détecteurs
spécifiques pour observer
ou reconstituer le passage
d’une particule
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Comment doit être notre détecteur ?
 On doit pouvoir détecter et reconnaître des
centaines de particules différentes
 On va utiliser leurs propriétés :
 Façon d’interagir avec la matière
 Vitesse
(en fait, quantité de mouvement = masse × vitesse)




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Charge
Trajectoire
Masse
Energie
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Façon 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)
 Enfin, certaines n’interagissent (presque) pas
(ex: muon, neutrinos)
il faut ruser pour mieux les connaître





Détecteur :
Une partie pour la mesure de la trajectoire
Une autre pour la vitesse et la charge
Une autre pour la mesure de l’énergie
Matière pour mieux identifier la particule
Système pour les particules n’interagissant pas ou peu
avec la matière
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MESURE DE LA VITESSE
ET DE LA CHARGE
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Un aimant pour mesurer la masse, la
vitesse et la charge !
 Pour mesurer la charge et la vitesse,
on va utiliser un aimant
 En effet, lorsqu’elles sont soumises à
un champ magnétique, les particules
chargées ont une trajectoire en
forme de spirale autour de la
direction du champ
 Rayon de courbure : 𝑅 =
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𝒎𝒗
𝒒𝐵
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MESURE DE LA
TRAJECTOIRE
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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
1 cellule
Plans de cellules
 Détecteurs de traces compartimentés en petites cellules
 On peut savoir ou la particule est passée avec une
grande précision
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MESURE DE L’ÉNERGIE
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Masterclass 2015
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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
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LES MUONS
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Masterclass 2015
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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
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Masterclass 2015
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LES NEUTRINOS
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Masterclass 2015
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Une particule invisible…
Mais on peut déduire sa présence des lois de
conservation de l’énergie et de la quantité de
mouvement :
Dans le plan transverse au faisceau
𝐸𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
𝑚𝑣𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝑚𝑣𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
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Masterclass 2015
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Résumé
17/03/2015
Masterclass 2015
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MAIS CE N’EST PAS SI
SIMPLE QUE CELA…
17/03/2015
Masterclass 2015
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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
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Masterclass 2015
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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 )
17/03/2015
Masterclass 2015
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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…)
17/03/2015
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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
17/03/2015
Masterclass 2015
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Mis à part çà, a quoi çà sert…
 … les sciences fondamentales ?
 2015 : Année mondiale de la Relativité Générale :
 Sans Relativité Générale, pas de GPS !
 Le transistor est à la base de toute notre technologie
 Sans Mécanique Quantique, pas de transistor !
 … la physique des particules ?
Le World Wide Web
17/03/2015
Grille de Calcul et Big Data
Masterclass 2015
L’imagerie médicale
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