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Guy Gistau
1
CRYOGUY
QUELQUES MOTS SUR :
LE CERN,
LES ACCÉLÉRATEURS,
LA SUPRACONDUCTIVITÉ,
LA CRYOGÉNIE
Préparation de la visite des AST au CERN,
le 10 décembre 2013
Guy GISTAU-BAGUER
Guy GISTAU
2
CRYOGUY
CERN : qu’est-ce que cela veut dire ?
QUELQUES NOTIONS SUR LE LHC (Large Hadron Collider)
L’ACCÉLÉRATION DES PARTICULES
LE GUIDAGE DES PARTICULES
Coup d’œil sur la supraconductivité
QUELQUES NOTIONS SUR LES EXPÉRIENCES
L’ANALYSE DES PARTICULES
ET POUR REFROIDIR TOUS CES OBJETS : LA CRYOGÉNIE !
Guy GISTAU
CRYOGUY
3
QU’EST-CE QUE LE CERN ?
CERN : qu’est-ce que cela veut dire ?
Initialement : Centre Européen pour la Recherche Nucléaire.
Actuellement :
Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire.
Le CERN est une usine à fabriquer des particules hautement
énergétiques dans les accélérateurs tels que le LHC.
Ces particules sont ensuite étudiées dans des
expériences montées par des collaborations entre
laboratoires internationaux.
Guy GISTAU
4
CRYOGUY
QUELQUES NOTIONS SUR LE LHC
(Large Hadron Collider)
Guy GISTAU
6
CRYOGUY
D’ABORD, QUELQUES MODESTES RAPPELS…
QUELS SONT LES PLUS
PETITS GRAINS DE MATIÈRE ?
Ici, les seules particules fondamentales sont les
électrons et les quarks
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CRYOGUY
Hadron : kes ako ?
Un hadron est un composé de particules subatomiques
régi par l’interaction forte.
Dans le Modèle Standard de la Physique des particules,
ces particules sont composées de
quarks et/ou d‘anti-quarks ainsi que de gluons.
Les quarks :
le quark up :
le quark down :
u
(charge +2/3)
Guy GISTAU
d
(charge - 1/3)
8
CRYOGUY
UN EXEMPLE DE HADRON
Un atome d’hydrogène, c’est :
Un proton (positif)
Le proton :
P+
Un électron (négatif)
u
u
L’atome d’hydrogène est neutre
d
Si l’on "épluche" l’électron, avec un
champ électrique, il reste le noyau :
proton (positif)
A l’intérieur d’un proton : deux
quarks up et un quark down.
La charge du proton est égale à :
+2/3 +2/3 -1/3 = +1
Le proton est un hadron
Guy GISTAU
9
CRYOGUY
L’ENSEMBLE LHC
FONCTIONS A
REMPLIR
L'accélérateur
Créer des particules
Accélérer les particules
L'anneau de stockage
Guider les particules
Provoquer la collision des particules
Les expériences
Récupérer les nouvelles particules, issues de la collision
Analyser ces particules
et RÉFLÉCHIR… beaucoup !
Guy GISTAU
10
CRYOGUY
L’ACCÉLÉRATION DES PARTICULES
CHARGÉES
Guy GISTAU
11
CRYOGUY
COMMENT ACCÉLÉRER UNE PARTICULE ?
1m
+
champ électrique
1000 V
-
+
La force exercée sur la
particule est proportionnelle
au champ électrique.
Guy GISTAU
L’énergie transmise à
la particule est : 1 keV
(un kilo électron Volt)
12
CRYOGUY
UNE CAVITE RÉSONNANTE
SUPRACONDUCTRICE
cavité
hélium
liquide
ACCÉLÉRATION
vide
Comme les courants
haute fréquence circulent
à la surface du
conducteur, une mince
couche de matériau supra
conducteur (cher) est
déposée sur le cuivre, à
l’intérieur de la cavité.
une partícule
champ
électrique
alternatif
Les particules chargées sont accélérées par un très intense champ
électrique (différence de potentiel) alternatif à très haute fréquence.
Guy GISTAU
13
CRYOGUY
UNE MULTI-CAVITÉ RÉSONNANTE
SUPRACONDUCTRICE
Vide
Hélium liquide
Guy GISTAU
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CRYOGUY
LE GUIDAGE ET LE STOCKAGE
DES PARTICULES CHARGÉES
Guy GISTAU
15
CRYOGUY
UN ANNEAU DE STOCKAGE DE
PARTICULES CHARGÉES
GUIDAGE
Une particule possédant une vitesse suit naturellement une
trajectoire rectiligne.
Il existe des accélérateurs linéaires : ils peuvent être très longs
(plusieurs kilomètres).
Pour gagner de la place, l’on fait circuler les particules sur des
trajectoires refermées sur elles mêmes : circulaires.
Ceci permet d’accélérer les particules à chaque passage, avec le
même matériel, mais aussi de les stocker dans l’anneau.
Pour cela, les particules chargées sont guidées (déviées) par un très
intense champ magnétique.
Guy GISTAU
16
CRYOGUY
Champ magnétique
LA DÉVIATION DE LA TRAJECTOIRE
D’UNE PARTICULE CHARGÉE
Dans la zone d’influence du
champ magnétique, la particule
subit une force perpendiculaire
à sa vitesse et suit une
trajectoire circulaire.
Force
Guy GISTAU
La force exercée sur la
particule est proportionnelle
au champ magnétique
(force de Lorentz).
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CRYOGUY
LA TRAJECTOIRE CIRCULAIRE
D’UNE PARTICULE CHARGÉE
Champ magnétique
Champ magnétique
Guy GISTAU
Champ magnétiqueChamp magnétique
Champ magnétique
Champ magnétique
Champ magnétique
Trajectoire circulaire
Champ magnétique
Champ magnétiqueChamp magnétique
Pour décrire une trajectoire TOTALEMENT circulaire, il faut créer un champ magnétique
tout au long de la trajectoire en disposant des aimants les uns à la suite des autres.
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CRYOGUY
CRÉATION D’UN CHAMP MAGNÉTIQUE
Un fil conducteur, parcouru par un
courant électrique, crée un champ
magnétique autour de lui.
Lignes du champ
magnétique
courant
Guy GISTAU
20
CRYOGUY
CRÉATION D’UN CHAMP MAGNÉTIQUE
"ALLONGÉ"
courant
Ceci est une spire.
courant
En empilant plusieurs spires, l’on
obtient une bobine.
Guy GISTAU
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CRYOGUY
GROS PROBLÈME !
Pour maintenir la trajectoire des particules lourdes (protons, ions) sur
une trajectoire de diamètre raisonnable (~8,5 km pour le LHC), il faut
un champ magnétique très intense,soit un nombre très élevé d’Ampère-tours
L’espace disponible pour les bobines est réduit.
Alors, il faut une intensité très élevée (14000 A pour le LHC).
Rappel : Q̇ = R x I2
Bien que la résistance soit faible, la puissance dissipée est très
importante.
En utilisant des aimants conventionnels, refroidis à l’eau, produisant un
champ magnétique de 0,5 Tesla, le diamètre de l’anneau serait de 150 km
et la consommation d’électricité serait de 4000 MW, soit la puissance
produite par 4 tranches nucléaires.
Guy GISTAU
22
CRYOGUY
SOLUTION : LA SUPRACONDUCTIVITÉ !
Pour obtenir des champs magnétiques élevés, et diminuer
la consommation d’énergie électrique, il faut utiliser des
aimants supraconducteurs.
Grâce à la supraconductivité :
• la puissance nécessaire pour assurer la réfrigération du système
est seulement 1 % de 4000 MW, soit 40 MW.
• le champ magnétique est de 8,5 Tesla.
• le diamètre de l’anneau est raisonnable : 8,5 km.
Guy GISTAU
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CRYOGUY
LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?
Une question du début des années 1900…
Lorentz pense : 0
Premières mesures en 1908 par K. Onnes avec Pt et Au,
jusqu’à la température de l’hélium liquide : diminution
mais pas disparition.
MAIS, avec Hg pur, disparition totale et instantanée
à 4,15 K ! (8 avril 1911)
Kelvin pense : 
10-4
ρ (Ω.m)
Quand la température tend vers 0 K,
comment varie la résistance ?
YBaCuO
10-6
Nb
Nobel en 1913
10-8
Cu
Malheureusement, un courant ou un champ magnétique
trop élevés détruisent la supraconductivité d’un corps pur…. 10-10
Des alliages tels que le niobium-titane ou le niobiumétain permettent, heureusement, d’atteindre des champs
10-12
magnétiques élevés.
En 1986, les efforts de Bednorz, Muller et Wu sont
récompensés : découverte de la supraconductivité à 92 K
avec YBaCuO.
10
103
102
T (K)
Bednorz et Muller : Nobel en 1987
Guy GISTAU
24
CRYOGUY
LA SUPRACONDUCTIVITE
J (A/m2)
1011
NbTi
Nb3Sn
107
10
YBaCuO
50
50
100
Hélium
liquide
100
T (K)
B (T)
Azote
liquide
Caractéristiques (T, B, J) de quelques supraconducteurs,
montrant les possibilités d’utilisation dans l’hélium ou l’azote liquides
Guy GISTAU
25
CRYOGUY
Température ambiante
Température de l’hélium liquide
Chacun de ces câbles peut transporter 15000 A !
Votre fer à repasser utilise 5 A…
Guy GISTAU
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CRYOGUY
Prix Nobel
LA COURSE AUX
TEMPÉRATURES CRITIQUES
180
HgBa2Ca2Cu3O8
à 30 GPa !
140
120
100
Prix Nobel
Température (K)
160
80
60
YBa2Cu3O7
Azote
liquide
40
20
Pb
Nb
NbTi
Nb3Sn
Hélium
liquide
Hg
1910
1920
1930
1940
1950
Guy GISTAU
1960
1970
1980
1990
2000
27
CRYOGUY
COMMENT SE MANIFESTE LA
SUPRACONDUCTIVITÉ ?
Dans la vie de tous les jours, l’état supraconducteur en électricité peut être
comparé à la non existence du frottement mécanique.
Conséquences :
Le mouvement uniforme permanent devient possible : un courant électrique
peut circuler indéfiniment dans un fil supraconducteur !
Une bobine magnétique supraconductrice dont le circuit est refermé sur
lui-même et est parcourue par un courant est un aimant permanent !
Guy GISTAU
28
CRYOGUY
IRM
EXEMPLE D’UN
AIMANT PERMANENT
SUPRACONDUCTEUR
L’IRM (Imagerie par
Résonnance Magnétique)
est, actuellement,
l’application de la supra
conductivité la plus
répandue.
Le patient est placé dans le
fort champ magnétique d’une
bobine supra conductrice qui
fonctionne comme un aimant
permanent.
Guy GISTAU
29
CRYOGUY
COUPE D’UN AIMANT DIPÔLE
(de courbure)
Guy GISTAU
31
CRYOGUY
COUPE D’UN AIMANT
DIPÔLE DE COURBURE DU LHC
Masse totale à refroidir :
32000 tonnes !
Guy GISTAU
33
CRYOGUY
LA PREMIERE BOBINE
SUPRACONDUCTRICE EUROPEENNE (1963)
Dans la main de
Sir Martin
WOOD
(Fondateur de
Oxford
Instruments,
ennobli en récompense de
son action dans le
domaine de la cryogénie et
de la supraconductivité )
Guy GISTAU
34
CRYOGUY
Oui, mais il faut refroidir tous ces objets
supraconducteurs !
C’EST LA FONCTION REMPLIE PAR :
LES RÉFRIGÉRATEURS A L’HÉLIUM
LA RÉFRIGÉRATION A L’HÉLIUM
FUT LE TRAVAIL DE PRESQUE
TOUTE MA CARRIÈRE !
Guy GISTAU
35
CRYOGUY
LES FLUIDES CRYOGÉNIQUES
1000
Au dessus de 120 K, ce
n’est plus de la cryogénie!
120 K
Méthane (CH4)
Oxygène (O2)
100
Argon (Ar)
Néon (Ne)
10
Hydrogène (H2)
A cette température, tous les autres gaz sont
solides !
1.0
Température (K)
4.2 K ou – 269 °C
(He)
Pour refroidir les objets supraconducteurs à basse
température critique, l’on utilise l’hélium qui bout à
4,2 Kelvin (– 269 °C).
Guy Gistau
ou – 99,4 °C
ou -183.1 °C
ou – 185,6 °C
ou – 196 °C
27.1 K ou – 246 °C
20.2 K ou – 253 °C
Azote (N2)
4Hélium
111.5 K
90.1 K
87.6 K
77.2 K
36
CRYOGUY
COMMENT ATTEINT-ON LES TRÈS
BASSES TEMPÉRATURES ?
Pour refroidir l’hélium, il faut :
1. Le comprimer avec un compresseur, (il reçoit de l’énergie :
l’hélium chauffe)
2. Le refroidir avec un échangeur de chaleur
3. Le détendre avec une turbine (il produit de l’énergie :
l’hélium se refroidit)
4. Le réchauffer avec l’échangeur de chaleur
Compresseur
Echangeur
de chaleur
Turbine
cryogénique
Guy GISTAU
37
CRYOGUY
UN COMPRESSEUR
Pour comprimer l’hélium, l’on utilise des compresseurs.
Ceci est un
compresseur à vis.
Guy GISTAU
38
CRYOGUY
ÉCHANGEUR DE CHALEUR
Guy GISTAU
39
CRYOGUY
UNE TURBINE DE DÉTENTE CRYOGÉNIQUE
Pour détendre l’hélium, l’on utilise des turbines.
Ces machines, qui sont fabriquées
seulement en Europe (même les
américains n’en construisent pas !),
peuvent tourner à 600 000 tours par
minute !
Guy GISTAU
40
CRYOGUY
UNE PARTICULARITÉ DE LA CRYOGÉNIE
Notre environnement (température ambiante) est, bien sûr, TRÈS
CHAUD par rapport aux températures cryogéniques :
• + 196 °C par rapport à la température de l’azote liquide,
• + 269 °C par rapport à la température de l’hélium liquide.
De plus, la chaleur latente de vaporisation des fluides cryogéniques
est très faible : pour l’hélium, 20 J/g (100 fois moins que l’eau !).
Aussi faut-il isoler thermiquement les objets fonctionnant aux
températures cryogéniques.
L’isolation thermique est faite par :
• le vide, pour éviter les transferts de chaleur par convection
et conduction gazeuses,
• l’isolation multicouches (ou super isolation), pour limiter les
transferts de chaleur par rayonnement.
Guy GISTAU
41
CRYOGUY
LA BOÎTE FROIDE DU PLUS GROS
LIQUÉFACTEUR D’HÉLIUM AU MONDE
Super
isolation
Vide
Guy GISTAU
42
CRYOGUY
Pour atteindre le champ magnétique de 8,5 Tesla, nécessaire au LHC, il
faut faire travailler le câble supraconducteur à une température encore
plus basse que celle de l’hélium bouillant à la pression atmosphérique
(4,2 K)
Cette température : 1,8 K, est atteinte avec de
l’hélium bouillant à une pression de 0,016 bar.
Cette pression est obtenue en utilisant des
machines uniques : des compresseurs
centrifuges cryogéniques.
La première utilisation fut mise en œuvre
dans le système cryogénique de Tore Supra,
à Cadarache.
Encore un développement dont l’industrie
cryogénique française peut être fière !
Guy GISTAU
43
CRYOGUY
Amenées
de courant
74 K
Écrans
thermiques
SCHÉMA D’UN
RÉFRIGÉRATEUR LHC
de 2,4 kW à 1,8 K
172 K
49 K
20 K
7 compresseurs
16 échangeurs
de chaleur !
3 compresseurs
cryogéniques !
60 vannes
cryogéniques !
5,4 K
Compresseurs
centrifuges
cryogéniques
9 turbines !
10 K
4,5 K
3,0 bar
4,5 K
LHe
Guy GISTAU
CRYOGUY
0,016 bar
1,8 K
LHe
9K
UN DES RÉFRIGÉRATEURS DU CERN
Ces réfrigérateurs sont les plus puissants au monde !
Guy GISTAU
45
CRYOGUY
UNE STATION DE COMPRESSION D’HÉLIUM
Guy GISTAU
46
CRYOGUY
LES AIMANTS SUPRACONDUCTEURS
Pour guider les particules dans l'anneau, il faudrait un aimant de
27 km de long !
Il est remplacé par 1232 aimants dipôles de 14,3 m de long pesant
environ 35 tonnes chacun.
Pour construire tous les aimants supraconducteurs, il a fallu 7600 km de
câble supraconducteur.
La longueur des filaments
supraconducteurs, dont le diamètre est
de quelques micromètres est de 1,8 x
109 km (1 800 000 000 km), soit plus
de 10 fois la distance terre lune !
Guy GISTAU
47
CRYOGUY
CRYOGUY
L’ALIMENTATION DE L’ANNEAU EN
FLUIDES CRYOGÉNIQUES
Lors de son refroidissement,
l’anneau se raccourcit de
80 m !
la ligne de distribution
un octant
une boîte de raccordement
l’anneau d’aimants
un réfrigérateur
Guy GISTAU
49
CRYOGUY
LES AIMANTS DANS LE TUNNEL
CRYOGUY
LES AIMANTS DANS LE TUNNEL
CRYOGUY
LE PREMIER ACCÉLÉRATEUR DE
PARTICULES (Berkeley 1930) …
LE CYCLOTRON
12,5 cm
Guy GISTAU
52
CRYOGUY
COMMENT CELA MARCHAIT-IL ?
LE CYCLOTRON
Accélération avec des cavités,
Champ magnétique
Courbure avec un champ magnétique.
Deux "D"
Guy GISTAU
53
CRYOGUY
LE CERN A GENEVE
Guy GISTAU
54
CRYOGUY
LE LHC
Experiences
Guy GISTAU
55
CRYOGUY
LE CHARGEMENT DES PARTICULES
DANS L’ANNEAU DU LHC
LHC : Large Hadron Collider.
Linac (linear accelerator)
SPS : Super Proton Synchrotron.
PS : Proton Synchrotron.
Guy GISTAU
56
CRYOGUY
Guy GISTAU
57
CRYOGUY
QUELQUES VALEURS STUPÉFIANTES…
L’énergie cinétique d’une particule est égale à celle d’un moustique pesant 60 mg
et volant à 20 cm/s (~1 km/h).
Cela n’est pas beaucoup, mais cette énergie est concentrée en une seule particule.
L’énergie cinétique d’un paquet de particules est égale à celle d’une moto pesant
150 kg et roulant à 150 km/h (1,29 x 105 J, soit 129 000 J).
L’énergie cinétique de l’ensemble des particules circulant dans l’anneau (360 MJ)
est l’équivalent de celle que pourrait produire 77,4 kg de TNT.
Cette énergie permettrait de fondre instantanément 5,65
tonnes d’or !
L’intensité du courant circulant dans l’anneau est de 0,58 A (seulement !)
S’il y a un défaut de guidage du faisceau, le tube dans lequel circule le faisceau est
perforé.
Guy GISTAU
58
CRYOGUY
LE GUIDAGE DES PARTICULES
La vitesse des particules est de 299.792.455 m/s, ou 0,999999991 fois la vitesse
de la lumière…
Aussi, la masse d’une particule est augmentée dans un rapport de
7000
par l’apport d’énergie !
Guy GISTAU
59
CRYOGUY
POURQUOI ?
C’est presque simple…
c’est une idée d’Albert Einstein !
La vitesse de la lumière (300 000 km/s) ne peut être dépassée.
Pour accélérer une particule, il faut lui transmettre de l’énergie.
(rappel : E = ½ m x v2)
Il arrive un moment où, lorsque la vitesse de la particule se
rapproche de la vitesse limite, la masse de la particule augmente
afin de satisfaire l’équation !
Guy GISTAU
60
CRYOGUY
LE GUIDAGE DES PARTICULES
Les particules font 11245 tours de l’anneau par seconde !
Si elle n’était pas "soutenue" magnétiquement, une particule, soumise à
l’accélération de la pesanteur, raclerait le tube de faisceau (diamètre 56 mm)
au bout de 76 ms, c’est-à-dire, tout de même 850 tours.
L’accélération centrifuge qui s’exerce sur chaque particule est 2 x 1012 fois celle
de la gravité terrestre.
12
2 x 10
= 2 000 000 000 000 !
Pour maintenir la particule, sur sa trajectoire, c’est-à-dire lutter contre la force
centrifuge, il faut exercer un effort de seulement 2,64 x 10-10 N sur chaque
particule.
2,64 x 10-10 = 0,000 000 000 264
Mais il y a beaucoup de particules dans l’anneau : 1011 alors il faut, au total,
exercer une force de
11
10 = 100 000 000 000 !
17 tonnes !
Pour le diamètre retenu de 27 km, le champ magnétique nécessaire est de
8.33 Tesla, soit 100000 fois le champ magnétique terrestre.
Guy GISTAU
61
CRYOGUY
LE VIDE
Si l'on veut que les particules circulent suffisamment longtemps dans le
tube de faisceau, il faut qu'il n'y ait pas d'obstacles.
Les obstacles sont des molécules de gaz.
C'est pour cela que la pression interne du tube de faisceau est maintenue à
10-13 atm, ce qui est dix fois inférieur à la pression régnant sur la Lune.
10-13 = 0,000 000 000 000 1
Le vide est essentiellement obtenu par cryo pompage (condensation des
molécules sur une surface très froide).
Encore merci à la cryogénie !
Guy GISTAU
62
CRYOGUY
QUELQUES NOTIONS SUR LES
EXPÉRIENCES
Guy GISTAU
63
CRYOGUY
Un objet complexe
?
De quoi est il constitué ?
Guy GISTAU
64
CRYOGUY
UNE EXPÉRIENCE
PRINCIPE
Guy GISTAU
65
CRYOGUY
LES DÉTECTEURS
Guy GISTAU
67
CRYOGUY
DÉTECTEUR
NOUS
Nos yeux, nos oreilles, notre nez, etc.… sont des capteurs spécialisés.
Notre cerveau combine les informations issues de nos capteurs pour
décrire notre environnement.
UN DÉTECTEUR
Un détecteur de particules comprend différents types de " sous détecteurs"
spécialisés.
Les informations issues des " sous détecteurs" sont combinées dans le
système d’acquisition pour construire une image physique.
Guy GISTAU
68
CRYOGUY
L’ANALYSE DES PARTICULES
Les trajectoires des
particules dans un
champ magnétique
sont circulaires
LA COURBURE DES
TRAJECTOIRES DES
PARTICULES
Champ magnétique
Bobine d’analyse
supra conductrice
"transparente"
Une particule chargée est d’autant plus
courbée qu’elle est peu énergétique.
La courbure de sa trajectoire permet de
mesurer l’énergie de la particule.
Guy GISTAU
69
CRYOGUY
L’ANALYSE DES PARTICULES
Mais il faut "voir" la trajectoire des particules !
Pour cela, il nous faut des détecteurs.
Une trajectoire courbée
par le champ magnétique
de la bobine
LA DÉTECTION DES
PARTICULES
Le faisceau de particules
Détecteurs
Bobine d’analyse
supra conductrice
"transparente"
Guy GISTAU
70
CRYOGUY
L’EXPÉRIENCE CMS
Bobine d’analyse
supra conductrice
"transparente"
CRYOGUY
UNE EXPÉRIENCE : ATLAS
22 m
Masse 7000 t
Guy GISTAU
44 m
CRYOGUY
72
UNE EXPÉRIENCE : ATLAS
Bobines du toroïde
supra conducteur
CRYOGUY
UNE EXPÉRIENCE : ATLAS
74
CRYOGUY
L’ANALYSE DES PARTICULES
LA DÉTECTION
Il existe différent types de détecteurs, basés sur la perturbation qu’une particule
produit dans un milieu :
• Les chambres à brouillard (ou de Wilson)
• Les chambres à bulles
• Les chambres à étincelles
(voir au Microcosm la chambre qui
détecte les rayons cosmiques)
• Les chambres à fils (prix Nobel de Charpak)
• Les calorimètres (mesurent l’énergie des particules)
• Les scintillateurs (la particule produit de la lumière)
Pour ne rater aucune particule, le système de détection doit
totalement englober le point de collision.
Guy GISTAU
75
CRYOGUY
LA CHAMBRE A BULLES
BEBC
Guy GISTAU
76
CRYOGUY
LA CHAMBRE A BULLES
LE PRINCIPE
PHOTO
Guy GISTAU
77
CRYOGUY
LA CHAMBRE A BULLES
LES TRACES
Guy GISTAU
78
CRYOGUY
LA CHAMBRE A BULLES
LE DÉPOUILLEMENT
Guy GISTAU
79
CRYOGUY
LA CHAMBRE A ÉTINCELLES
PRINCIPE
Gaz ionisable
Fils entre lesquels
existe une différence
de potentiel
Quand une particule circule dans le gaz, elle provoque une
ionisation (le gaz peut conduire l’électricité).
Quand la particule passe entre deux fils, la différence de potentiel
dans le gaz ionisé déclenche une étincelle.
L’étincelle est localisée par un système électronique et sa
trajectoire est enregistrée.
Guy GISTAU
80
CRYOGUY
LA CHAMBRE A ÉTINCELLES
Guy GISTAU
81
CRYOGUY
LA CHAMBRE A FILS DE CHARPAK
C
Argon
-
+
+
-
+
-
+
A
+
-
+
-
+
+
-
+
C
Guy GISTAU
82
CRYOGUY
LA CHAMBRE A FILS DE CHARPAK
Cette chambre à fils
a été à l’origine d’une
découverte
récompensée par un
prix Nobel…
Guy GISTAU
83
CRYOGUY
RÔLE DE CHAQUE COUCHE DU
DÉTECTEUR
Détecteurs à
muons
neutrino
muon
proton
Calorimètre
hadronique
neutron
photon
Calorimètre
électromagnétique
électron
Bobine d’analyse
supraconductrice
Trajectomètre
Les traces en pointillés
sont invisibles
CRYOGUY
faisceau
84
UN ÉVÉNEMENT
Normal boiling point
Guy GISTAU
85
CRYOGUY
UN ÉVÉNEMENT
Guy GISTAU
86
CRYOGUY
IMAGE D’UN ÉVÈNEMENT
Entre chaque paquet de particules, il n'y a que 7,5 m.
Un paquet interfère avec un autre paquet créant une collision toutes les 25 ns
(10-9 s).
1 ns = 0,000 000 001 s.
A chaque collision, un évènement intéressant peut se produire…
Alors, il faut stocker toutes les informations relatives à toutes les collisions…
Et, bien sûr, les analyser…
et VITE !
La théorie dit que l’on pourrait s’attendre à la production d’un boson de
Higgs toutes les 33 mn (soit 20 par jour)…
Guy GISTAU
87
CRYOGUY
Les détecteurs du LHC tels qu’ATLAS ou CMS sont équipés de systèmes
électroniques de déclenchement qui mesurent le temps de passage d’une
particule à quelques milliardièmes de seconde près. (0,000 000 001 s).
Le système de déclenchement enregistre également la position des
particules au millionième de mètre (0, 001 mm).
La rapidité et la précision de ces systèmes sont essentielles si l’on veut être
certain qu’une particule enregistrée dans différentes couches du détecteur est
bel et bien la même.
Guy GISTAU
88
CRYOGUY
Les données enregistrées par chacune des grandes expériences du LHC
pourraient remplir environ 100 000 DVD double couche par année.
Afin de permettre à quelque 7000 physiciens du monde entier de participer
à l'analyse des données pendant les 15 prochaines années (la durée de vie
estimée du LHC), des dizaines de milliers d’ordinateurs dispersés sur la
planète seront exploités dans le cadre d’un réseau informatique décentralisé
appelé la Grille.
Guy GISTAU
89
CRYOGUY
LA CHASSE AU BOSON !
(expliquée aux enfants…)
Guy GISTAU
90
CRYOGUY
DÉSINTÉGRATION D’UN BOSON DE HIGGS
Higgs
boson Z + boson Z
=
+
boson Z
+
muon + muon + muon + muon
=
+
+
+
+
+
+
boson Z
+
Higgs
boson Z
=
+ boson Z
+
Guy GISTAU
91
CRYOGUY
H
ZZ ou ZZ ?
4 muons !
Un seul évènement ne suffit pas !
CRYOGUY
92
Pauline Gagnon, CERN/Indiana University
CRYOGUY
93
nombre d’évènements
COMMENT DISTINGUER UN ÉVÉNEMENT
SIGNATURE D’UN BOSON DE HIGGS?
4µ
mH = 130 GeV
masse combinée (GeV)
94
CRYOGUY
LA CONSTRUCTION DU LHC
Guy GISTAU
95
CRYOGUY
COUPE GÉOLOGIQUE SIMPLIFIÉE
DU TUNNEL DU LHC
ICCR’2003
Ph. Lebrun
CRYOGUY
LE CREUSEMENT DU TUNNEL (27 km)
Le ”monstre”
tunnelier !
Déplacement dans le tunnel
97
CRYOGUY
LE CREUSEMENT DES "CAVERNES"
Guy GISTAU
98
CRYOGUY
MISE EN CRYOSTAT DES AIMANTS
Cryostat : récipient isolé thermiquement dans lequel est monté un appareil fonctionnant à une température cryogénique.
Un cryostat mesure 15 m !
L. Tavian
CRYOGUY
STATION D’ESSAIS CRYOGÉNIQUES DES AIMANTS
L. Tavian
CRYOGUY
DESCENTE DES AIMANTS DANS LE TUNNEL
L. Tavian
CRYOGUY
INSTALLATION DES AIMANTS DANS LE TUNNEL
L. Tavian
CRYOGUY
SOUDAGE DES INTERCONNEXIONS ÉLECTRIQUES
L. Tavian
CRYOGUY
SOUDAGE DES INTERCONNEXIONS
CRYOGÉNIQUES
L. Tavian
CRYOGUY
POURQUOI LE LHC ?
La densité d’énergie et la température produites lors des collisions dans le
LHC recréent des conditions similaires à celles qui existaient quelques
instants après le Big Bang.
Ainsi, les physiciens espèrent
découvrir les secrets de
l’évolution de l’Univers…
Guy GISTAU
105
CRYOGUY
En 1989, Tim Berners-Lee travaille au
CERN, qui est alors connecté à Internet.
À partir de 1990, il développe les trois
principales technologies du web : les adresses
web, le Hypertext Transfer Protocol (HTTP) et
le Hypertext Markup Language (HTML). Il
développe le premier navigateur web et
éditeur web (dénommé WorldWideWeb) et le
premier serveur HTTP, le CERN httpd. Il
travaille avec Robert Cailliau et quelques
autres personnes du CERN.
Nous pouvons, TOUS, sauf
le remercier
les quelques
!
rares dinosaures de l’informatique,
Guy GISTAU
106
CRYOGUY
ACTUELLEMENT,
LE LHC EST A L’ARRÊT
Guy GISTAU
107
CRYOGUY
LS 1
LS 1 = Long Shut-down 1
Mise en conformité après l’incident.
Entretien préventif
Guy GISTAU
108
CRYOGUY
LE MÉGA CHANTIER LS 1 en 2013 - 2014
Ouvrir et refermer Refaire entièrement
définitivement 1695
1500 de ces
interconnections
interconnections
Réaliser 18000 tests
d’assurance qualité
Réaliser 10170 tests
d’étanchéité
Consolider les 10170
Installer 5000
interconnections de systèmes d’isolation
13kA : installer 27000
électrique
dérivations
Remplacer 4
quadripôles
Remplacer 15
dipôles
Guy GISTAU
Réaliser 300000
mesures de
résistance électrique
Installer 612
soupapes de
sureté
Réaliser 10170
soudures orbitales
Consolider les circuits
13 kA dans les boîtes
d’alimentation
109
CRYOGUY
Réveillez-vous !
C’est fini !
J’espère que ces explications vous aideront à mieux
appréhender ce que l’on vous montrera demain !
PENDANT LA VISITE, VOUS
POURREZ PRENDRE TOUTES LES
PHOTOS QUE VOUS VOULEZ !
Guy GISTAU
110
CRYOGUY
PROGRAMME
7h30, Grenoble, départ du car (GRINDLER) gare routière
7h50, Montbonnot, le pré de l’eau,
CNI ou passeport pour passer la frontière !
Pas de talons hauts !
9h45, CERN,
9h45 – 11h20, visites du Microcosm et du globe (avec mes commentaires),
11h30 – 12h15, visite de mon dernier bébé,
12h30 – 13h45, déjeuner cafétéria (~10 €, monnaie rendue en CHF), ou
pique nique sur la pelouse
14h00 – 15h00, Conférence standard d’accueil et vidéo
15h30 – 17h00, visite des installations du bâtiment SM 18
SOS
Christian CHOQUET : 06 83 27 49 77
Guy GISTAU BAGUER : 06 88 90 15 06
Guy GISTAU
111
CRYOGUY