Le LHC au CERN : produire des particules pour les étudier
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- Baptiste Goudreau
- il y a 5 ans
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1 Le LHC au CERN : produire des particules pour les étudier
2 2 Le MODÈLE standard de la physique des particules Modèle = équation mathématique calculs + confrontation avec les mesures expérimentales = test de notre compréhension Par exemple, la production de bosons W + et W -
3 3 Le MODÈLE standard de la physique des particules Attention, la plupart des particules sont instables : Les produire pour les étudier Les étudier via leurs produits de désintégration Par exemple, la désintégration de bosons W + et W -
4 L outil pour 4 produire des particules : mc² l accélérateur mc² mc² E=mc² : particules énergie. mc² E mc² mc² mc² mc² mc² Energies de masse et cinétique accélération. Collisions de particules d autres particules.
5 Design d un collisionneur de particules 5 On utilise la force de Lorentz. Champ électrique : Dans un champ électrique E les particules chargées, de charge q subissent une force F = qe et acquièrent une énergie qu où U est la différence de potentiel. Grandes énergies = beaucoup de cavités accélératrices donc on fait tourner les particules dans un anneau pour qu elles passent à chaque tour dans les mêmes cavités. Champ magnétique : Quand on fait circuler un courant (donc des particules chargées) en boucle on crée un champ magnétique. A l inverse : quand des particules chargées qui circulent en ligne droite traversent un champ magnétique, leur trajectoire est courbée. On pilote ainsi la trajectoire des particules. On accélère des particules faciles à produire ou à récupérer (ex. proton i.e. noyau d hydrogène) + E U B
6 On récapitule 6 E E B B Quels champs? C est la physique qui décide. Et donc les technologies.
7 LHC 7 Buts fixés dès 1984 : recherche du boson de Higgs Au-delà du MS Mesures de précision et tests Interaction forte Par exemple pour le boson de Higgs : Haute énergie pour sonder de hautes masses (limites posées par les accélérateurs précédents) Haute luminosité : par exemple on attend la production de 1 boson de Higgs pour dix milliards de collisions!!!! Large (27kmde circ.) Hadron (protons) Collider (collisionneur)
8 Le CERN Lieux spéciaux pour «faire» cette physique : de grands laboratoires qui regroupent les chercheurs, physiciens et techniciens que vous allez rencontrer aujourd hui. Certains de ces laboratoires sont des «facilities», qui facilitent la vie des chercheurs en fournissant : Un lieu propice à la recherche, aux échanges constructifs, aux trouvailles Les outils pour créer les particules, les accélérateurs, et détecter les particules, les détecteurs, que vous présentera Laurent Le temps et les moyens de préparer le futur pendant qu on exploite le présent, toute la logistique et le soutien : experts, R&D, informatique, communication (web) bureaux, cantines, hôtels, salles de réunion, bibliothèque 8 Le CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) est un des plus grands et plus géniaux lieux de ce type.
9 9 Séquence d accélérateurs de plus en plus puissants. Le LHC est le dernier étage : de 450 GeV à plusieurs TeV. Le CERN a 60 ans! Unité : électron Volt = ev et multiples 4 points de collisions pour 4 grands détecteurs : ALICE ATLAS LHCb et CMS
10 Une machine exceptionnelle : aimants & cryogénie La circonférence du LHC est de m et la machine contient 9300 aimants dont 1232 dipôles, le plus gros défi à relever (14.3m et 35t par dipôle = 18 km de dipôles sur les 27 km de LHC) Caractéristiques Supraconducteurs (à cause de RI²) : NbTi température de transition 10K utilisé à 1.9K champs de 8.33T Bobinage 1 câble (Ø1.5cm) = 36 brins torsadés (Ø15mm) 1 brin = 6400 filaments (Ø 7μm) 7600km de câbles = en brins 5 AR Terre-Soleil plus quelques AR Terre-Lune! Cryogénie: Le plus gros frigo du monde: 40000t de matériel à 1.9K (120t d He superfluide) 10 Un des endroits les plus froids de l univers
11 Une machine exceptionnelle : vide & faisceaux L espace le plus vide du système solaire Ultravide atm (10 fois moins que sur la Lune) sur 27 km de circonférence! 11 Les faisceaux: 2808 paquets de ~ protons de qques cm de long et 1mm de large sauf aux points de collision alors 16μm (1/4 de cheveux humain!), tours par seconde. Petit calcul : 11245x27kmx3600s> 1 milliard de km en 1 heure!!!! Des trillions de protons, lancés à 99, % de la vitesse de la lumière à «cornaquer»!
12 Et ça marche! Très bien même! 12 Le 20/11/2009, le faisceau 1 puis le 2 circulent dans le LHC, sans problème depuis l injection jusqu à la capture RF. Les 4 détecteurs peuvent enregistrer des données. Depuis, montée en énergie et en luminosité : 500 Higgs/manip 250 millions de W/manip en électron et autant en muon
13 13 Résumons :
14 14 Que fait-on avec toutes ces particules? Concentrons-nous sur les bosons W + et W - On a : Gluons de charge 0, quark u de charge 2/3, quark d de charge -1/3 g + u d + W? g + d u + W? Sachant que les protons sont composés essentiellement de 2 quarks u et d un quark d, quel rapport W + /W - attend-on? u u u d u d
15 Plus compliqué! 15 u u u d u d Description du contenu en quarks et gluons des protons : Grandes incertitudes On mesure W + /W -, on doit trouver un nombre positif, de l ordre de 1,5 qui teste le modèle et éventuellement le contraint Bien sûr pour ça il faut reconnaître les W + et les W - produits Etc
16 16 On a produit des particules : détectons-les!
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