Accélérateurs et Détecteurs. E. Cogneras LPC Clermont / Univ. Blaise Pascal

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1 Accélérateurs et Détecteurs E. Cogneras LPC Clermont / Univ. Blaise Pascal

2 21/03/2013 Masterclass LE LHC en chiffre 30 ans de travail en R&D, construction, qualification Plus grand accélérateur du monde : 27 km de circonférence, 9300 aimants, tonnes d azote liquide, 120 tonnes d hélium liquide Budget : 7 milliard (coût de 2 porte-avions CDG) 113 pays impliqués, 608 instituts, Plus de 5000 personnes impliquées Vide extrêmement poussé : 1/10 de la pression sur la Lune Température ( C) plus faible que la température de l univers ( C) Pourquoi déployer autant d efforts et une telle énergie?

3 21/03/2013 Masterclass Pourquoi accélérer les particules Provoquer des collisions de particules (électrons, protons, ) Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en matière

4 21/03/2013 Masterclass Création de nouvelles particules Explorer les forces et les particules fondamentales de la nature

5 21/03/2013 Masterclass 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 : FF ee = qq EE La force magnétique : FF mm = qqvv BB

6 Avant d accélérer les particules, il faut les produire! 21/03/2013 Masterclass 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.

7 21/03/2013 Masterclass 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!

8 21/03/2013 Masterclass 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.

9 21/03/2013 Masterclass Cavités accélératrices Ce système marche aussi bien pour accélérer des électrons que des protons

10 21/03/2013 Masterclass 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.

11 Mais ce n est pas si simple Rayonnement synchrotron 21/03/2013 Masterclass 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

12 21/03/2013 Masterclass 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

13 21/03/2013 Masterclass 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. IP D Q Des espaces sont réservés aux zones d interaction (Impact Point). RF

14 21/03/2013 Masterclass Le LHC : Vue du ciel situé à côté du CERN près de Genève

15 Le LHC : schéma en sous-sol 21/03/2013 Masterclass

16 Le lièvre et la tortue dans le tunnel! 21/03/2013 Masterclass

17 Tube en coupe 21/03/2013 Masterclass

18 21/03/2013 Masterclass Le faisceau du LHC 2800 paquets contenant chacun 100 milliards de protons Energie totale d un faisceau 350 Méga Joules = 1 TGV à 150 km/h!!! Point de collision de la taille du diamètre d un cheveu

19 21/03/2013 Masterclass 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

20 21/03/2013 Masterclass 2013 Détecteurs du LHC Atlas CMS LHCb Alice 20

21 21/03/2013 Masterclass 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

22 21/03/2013 Masterclass Comment doit être notre détecteur? On doit pouvoir détecter et reconnaître des centaines de particules différentes On va utiliser leurs propriétés : Charge Masse Energie Vitesse (en fait, quantité de mouvement = masse vitesse) Trajectoire Façon d interagir avec la matière

23 21/03/2013 Masterclass 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

24 21/03/2013 Masterclass MESURE DE LA VITESSE ET DE LA CHARGE

25 21/03/2013 Masterclass 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 : RR = mmmm qqbb

26 21/03/2013 Masterclass MESURE DE LA TRAJECTOIRE

27 21/03/2013 Masterclass 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

28 21/03/2013 Masterclass MESURE DE L ÉNERGIE

29 21/03/2013 Masterclass 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

30 21/03/2013 Masterclass LES MUONS

31 21/03/2013 Masterclass 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

32 21/03/2013 Masterclass LES NEUTRINOS

33 21/03/2013 Masterclass Une particule invisible Mais on peut déduire sa présence des lois de conservation de l énergie et de la quantité de mouvement : EE iiiiiiiiiiiiii = EE ffffffffff mmvv iiiiiiiiiiiiii = mmvv ffffffffff Dans le plan transverse au faisceau

34 21/03/2013 Masterclass Résumé