Le LHC Un grand instrument pour la. Claude Hauviller CERN

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1 Le LHC Un grand instrument pour la physique des hautes energies Claude Hauviller CERN

2 Conférence Européenne de la Culture Lausanne, 9 décembre 1949 Louis de Broglie Le caractère universel et très souvent désintéressé de la recherche scientifique semble l avoir prédestinée à travailler dans une mutuelle et fructueuse collaboration. Aussi cette forme de coopération doit-elle être un des objectifs les plus immédiats de ceux qui endossent la tâche de rapprocher les peuples européens et de faire collaborer les valeurs diverses au progrès de la civilisation. 2

3 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Fondé en 1954 par 12 pays Aujourd hui: 20 pays membres ~750 M de budget annuel 2400 employés permanents Plus de 8000 utilisateurs dans le monde 2004: The 20 member states C. Hauviller AFM

4 Répartition des utilisateurs (2006) 4

5 La taille des choses 5

6 Les instruments du métier 1. Les accélérateurs linéaires ou circulaires: de puissantes machines capable d accélérer des particules jusqu à de très hautes énergies avant de les faire entrer en collision avec d autres particules 2. Les détecteurs : des instruments gigantesques qui enregistrent les particules issues des collisions 3. L informatique : pour collecter, stocker, répartir et analyser les énormes quantités de données produites par les détecteurs 6

7 Pourquoi un accélérateur de particules? Pour casser des particules afin d en connaître la structure Créer des collisions entre particules élémentaires: électrons, protons 7

8 Comment casser des particules 1. Dissocier des molécules d hydrogène 2. Accélérer des faisceaux de particules à la vitesse de la lumière ( m/s) 3. Provoquer des collisions contre une cible ou entre faisceaux 8

9 Et obtenir des traces dans un détecteur (+30 minimum bias events) Reconstructed tracks with pt > 25 GeV All charged tracks with pt > 2 GeV 9

10 Accélérer les faisceaux de particules Dans le vide Pour éviter les collisions aléatoires avec les molécules de gaz Tubes à vide très propres mieux que le vide inter-sidérale (UHV) 10

11 Accélérer les faisceaux de particules Avec un champ électromagnétique 11

12 Lutter contre les forces de répulsion entre particules Paquets de particules de même charge électrique (protons + ou électrons -) Utiliser un champ magnétique pour comprimer les paquets de particules Champ magnétique périodique: gradient alterné 12

13 Courber les faisceaux de particules Utiliser un champ magnétique Loi de Laplace: champ magnétique, courant, force B F v r F r r r = q ( E+ v B) 13

14 Les éléments d un accélérateur circulaire 14

15 Le LHC Large Hadron Collider Grand Collisionneur à Protons Un grand instrument Une collaboration mondiale 15

16 LHC: De la première idée à la réalisation 26 ans! 1982 : Premières études pour le projet LHC 1983 : Z0 détecté au SPS proton et antiproton collider 1989 : Début d'opération du LEP (Z-factory) 1994 : Approbation du LHC par le Conseil du CERN 1996 : Décision finale pour la construction du LHC 1996 : Opération du LEP : 100 GeV (W-factory) 2000 : Fin de l'opération du LEP 2002 : Le LEP est démonté 2003 : Début de l'installation du LHC 2005 : Début de la mise en service des équipements 2008 : Premiers faisceaux 16

17 LHC: Paramètres principaux Collision de faisceaux de protons avec une énergie de 14 TeV (7 TeV par faisceau) Luminosité: cm -1 s -2 correspondant à environ 10 9 événements par seconde Pour obtenir une quantité de mouvement de 7 TeV/c avec un rayon de 2805 m (tunnel du LEP), il faut un champ magnétique B de 8,33 Tesla (champ magnétique terrestre: Tesla) 17

18 Augmenter la puissance des aimants sans augmenter l énergie nécessaire à l opération Utiliser la supraconductivité: propriété de certains matériaux qui n ont pas de résistance au passage du courant électrique Actuellement, seulement à très basse température pour des matériaux industriels: températures cryogéniques aux environs du zéro absolu 18

19 Matériaux supraconducteurs Fils de NbTi (6 microns de diamètre) dans une matrice en cuivre de haute pureté 7000 km de câble Cu/Nb-Ti 19

20 Aimants dipolaires Bobines magnétiques de 17 mètres de long Intensité jusqu à Ampères 20

21 Températures cryogéniques 0 K= - 273,15 o C Hélium liquide : 4,2 K Hélium super-fluide: 1,9 K Très instable thermiquement: 1. Un point chaud dans le supraconducteur provoque une vaporisation locale de l hélium 2. La température locale augmente 3. La résistance locale augmente 4. Effet Joule: le conducteur fond 21

22 Encore quelques chiffres! Un faisceau contiendra 2808 paquets de 1,15x10 11 protons espacés de 25 ns soit un total d environ protons Un grain de poussière (dimension ~100µm) contient ~10 17 protons. Il faut environ 6x10 23 protons pour faire un gramme de matière Le nombre de protons d un faisceau est environ 1/1000 ème de celui d un grain de poussière! Les faisceaux circuleront environ 10h dans le LHC avant d être remplacés Ils auront parcouru ~100 Unités Astronomiques, soit 3 fois la distance à Pluton Chaque proton sera accéléré à 7TeV ( 1TeV = ev = 1,6x10-7 Joule) Il aura une énergie supérieure à 7000 fois sa masse (m p C 2 ) 22

23 Paramètres LHC pour 7 TeV (protons) Energie stockée dans un faisceau: 2808x1,15x10 11 x7x1,6x10-7 J = 362 MJoule l énergie d un TGV (400T) lancé à 150 km/h! suffisant pour faire fondre 500Kg de cuivre! Energie stockée dans le système magnétique: l énergie d un Airbus A380 volant à 700 km/h 10 GJoule 23

24 Technologies-clés du LHC Aimants supraconducteurs à champ élevé 1250 t de supraconducteur Nb-Ti, 7000 km de câble Rutherford Isolation électrique à caractéristiques mécaniques, thermiques et diélectriques contrôlées aux basses températures Matériaux de structure aux propriétés mécaniques et magnétiques contrôlées aux basses températures Techniques avancées de mesures et d essais magnétiques Alimentation & protection de dispositifs supraconducteurs Amenées de courant utilisant des supraconducteurs à haute Tc Convertisseurs de puissance de haute précision avec grande dynamique Cryogénie de puissance à l hélium superfluide (< 2K) Refroidissement à HeII pressurisé/saturé (écoulements diphasiques) Refroidissement à l hélium faiblement supercritique (écrans de faisceau) Cryostats & techniques d isolation thermique à grande échelle Réfrigération hélium de grande puissance à haute efficacité Logistique & stockage de fluides cryogéniques (140 t He) Vide Techniques d étanchéité et détection de fuites Vide secondaire pour l isolation cryogénique UHV cryogénique soumis à effets dynamiques par les faisceaux circulant Pompage distribué NEG sur chambres UHV à température ambiante 24

25 Où est le LHC? 2004: The 20 member states 25

26 Le LHC est installé dans son tunnel d une circonférence de m (27km) 26

27 Profondeur entre 50m et 150m 27

28 LHC: Le tunnel et ses services Eau Gaz Électricité Contrôles Sécurité 28

29 LHC: La construction et l installation en quelques chiffres équipements recensés tonnes de matériel en souterrain 5 ans d installation aimants alimentations électriques (en souterrain) soudures étanches à l UHV 29

30 Approvisionnement et logistique Qualité & quantité au bon endroit au bon moment 30

31 Une fourniture internationale Conception et fabrication laboratoires internationaux 31 C. Hauviller AFM081203

32 90 gros contrats de fourniture Europe in details 32

33 Transport souterrain 392 main quadrupoles corrector magnets Installed dipole (1232 dipoles) SSS being transported 33

34 Mise en place des cryo-aimants 34

35 Préparation de l interconnexion 35

36 Interconnexion entre aimants 36 C. Hauviller AFM081203

37 Fermeture étanche des tuyauteries 37

38 La chaine d accélérateurs du CERN From LINAC to LHC?? H 2004: The 20 member states 38

39 Le détecteur ATLAS 39

40 L aimant toroidal d ATLAS 40

41 Un volume de données à traiter sans précédent petaoctets/an (1 petaoctet = 1 million de gigaoctets) Ballon (30 km) Pile de CD avec un an de données du LHC(~ 20 km) Concorde (15 km) 50 CD-ROM = 35 gigaoctets 6 cm Mont Blanc (4.8 km) 41

42 Faire travailler une montagne de processeurs ~ Intel Pentium 3 à 4 GHz! 42

43 Déjà entendu parler du WEB? Tim Berners-Lee 43

44 Vers une «grille de calcul» mondiale processeurs EGEE Enabling Grids for E-sciencE Performance Super-ordinateur 2000 processeurs Cluster

45 Merci pour votre attention Pour en savoir plus: http// CERN, the place where the WEB is born. 45