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
17/03/2015
Particule de grande masse
Masterclass 2015
3
Création de nouvelles particules
Explorer les forces et les particules fondamentales
de la nature
17/03/2015
Masterclass 2015
4
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
Masterclass 2015
5
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
Masterclass 2015
6
Avant d’accélérer les particules, il faut les
produire !
 Un exemple : Les protons du
LHC
Charges +
Charges 17/03/2015
Masterclass 2015
7
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 !
17/03/2015
Masterclass 2015
8
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.
17/03/2015
Masterclass 2015
9
Cavités accélératrices
Ce système marche aussi
bien pour accélérer des
électrons que des protons
17/03/2015
Masterclass 2015
10
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.
17/03/2015
Masterclass 2015
11
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
17/03/2015
Masterclass 2015
12
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
17/03/2015
Masterclass 2015
13
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).
17/03/2015
Masterclass 2015
Q
D
IP
RF
14
Le LHC : Vue du ciel
Mont Blanc
Lac Léman
Genève
situé à côté
du CERN
près de Genève
LHCb
Atlas
Alice
17/03/2015
Masterclass 2015
15
Le LHC : schéma en sous-sol
17/03/2015
Masterclass 2015
16
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
17/03/2015
Masterclass 2015
17
Le lièvre et la tortue dans le tunnel !
17/03/2015
Masterclass 2015
18
Tube en coupe
17/03/2015
Masterclass 2015
19
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
17/03/2015
Masterclass 2015
20
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
17/03/2015
Masterclass 2015
21
Détecteurs du LHC
Atlas
LHCb
17/03/2015
CMS
Alice
Masterclass 2015
22
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
17/03/2015
Masterclass 2015
23
Comment doit être notre détecteur ?
 On doit pouvoir détecter et reconnaître des
centaines de particules différentes
 On va utiliser leurs propriétés :
 Trajectoire
 Vitesse
(en fait, quantité de mouvement = masse × vitesse)
 Charge
 Masse
 Energie
 En tenant compte de leur mode d’interaction
avec la matière
17/03/2015
Masterclass 2015
24
Mode d’interaction 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)
Détecteur :
 Une partie pour la mesure de la vitesse et la charge
 Une autre pour la mesure de la trajectoire
 Une autre pour la mesure de l’énergie
17/03/2015
Masterclass 2015
25
MESURE DE LA VITESSE
ET DE LA CHARGE
17/03/2015
Masterclass 2015
26
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 =
17/03/2015
𝒎𝒗
𝒒𝐵
Masterclass 2015
27
MESURE DE LA
TRAJECTOIRE
17/03/2015
Masterclass 2015
28
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
17/03/2015
Masterclass 2015
29
MESURE DE L’ÉNERGIE
17/03/2015
Masterclass 2015
30
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
17/03/2015
Masterclass 2015
31
LES MUONS
17/03/2015
Masterclass 2015
32
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
17/03/2015
Masterclass 2015
33
LES NEUTRINOS
17/03/2015
Masterclass 2015
34
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
17/03/2015
Masterclass 2015
35
Résumé
17/03/2015
Masterclass 2015
36
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
37
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
38