Ce qu il faut savoir des accélérateurs pour faire un détecteur. Plan. Collisionneur versus cible fixe (2/2) Collisionneur versus cible fixe (1/2)

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1 Plan I. Quelques points de physique des hautes énergies II. Quelques notions sur les accélérateurs III. Energie perdue dans la matière IV. Partie active des détecteurs V. Identification des particules et reconstitution de traces VI. Calorimétrie VII. Electronique et système d acquisition VIII.Détecteurs de physique des hautes énergie Ce qu il faut savoir des accélérateurs pour faire un détecteur Remarque : On peut faire de la physique des hautes énergies sans accélérateur Quelques points importants : Le référentiel du centre de masse est-il fixe ou immobile dans le laboratoire? La luminosité Le rayonnement synchrotron La fréquence de répétition peut être beaucoup plus élevée sur un accélérateur circulaire que sur un accélérateur linéaire (typiquement 50 KHz contre 100 Hz) 1/25 2/25 Collisionneur versus cible fixe (1/2) 1 ère expérience sur cible fixe : diffusion de particules α sur une feuille d or par Rutherford en 1907 La relativité nous apprend que la quantité gouvernant la collision est l énergie, évaluée dans le centre de masse (ΔE* = Δm c 2 ) Energie disponible dans le centre de masse pour des particules identiques : E * = 2 m 0 c 2 (E + m 0 c 2 ) Pour des p de 1 TeV E * = 43,3 GeV Collisionneur versus cible fixe (2/2) Energie disponible dans le centre de masse pour des particules identiques : E * = 2 E Pour des p de 1 TeV E * = 2 TeV Pour remplacer le collisionneur LHC (pp de 7 TeV contre 7 TeV) par une expérience sur cible fixe d énergie équivalente dans le centre de masse, il faudrait E = TeV Dans tous les cas, il s agit d exploiter ΔE = Δm c 2 3/25 4/25 1

2 Sections efficaces et luminosité Le rayonnement synchrotron (1/3) La probabilité d interaction entre particules est donnée par σ ou dσ/dω Le taux de comptage observé est : C est l émission (par des particules relativistes) d un rayonnement électromagnétique dans un plan orthogonal à la direction de l accélération "= N = " L # A σ : Section efficace (concentre toute la physique) L : Luminosité (dépend du faisceau) exprimée en cm-2 s-1! ε : Efficacité (dépend du système d acquisition) A : Acceptance (dépend du détecteur)! L unité pratique de section efficace est le barn : 1 barn cm2 1 # 5/25 L émission est piquée dans un cône centré sur la direction de propagation et d ouverture θ = 1/γ Ce rayonnement tient son nom du fait qu il a été mis en évidence la 1ère fois en 1947 sur un «synchrotron à électrons» de GE construit par Langmuir 6/25 Le rayonnement synchrotron (2/3) Pour une machine circulaire, on peut montrer que la puissance rayonnée par une particule ultra-relativiste de charge e est : PRS = Pour des e± et des protons de même quantité de mouvement placés sur la même! 4 orbite, on a : Pp "m % " 1 %4 )13 2 e2 c $ " #0 R 2 Rayon de courbure de la trajectoire RS = $ e ' = $ ' ( 10 $m ' e #1836 & PRS # p& Le rayonnement synchrotron intervient dans les machines circulaires à e±, mais pas e± pour les! machines à protons protons E (GeV) Exemple du blindage en plomb du polarimètre du LEP PRS(MW) LEP1 50 1,1 LEP ,6 LHC 7000 La puissance déposée par rayonnement synchrotron peut faire des dégâts 0,0073 7/25 8/25 2

3 Le rayonnement synchrotron (3/3) Le rayonnement synchrotron est une limitation dès qu on est intéressé par l énergie des particules accélérées (accélérateurs dédiés à la physique des particules) les accélérateurs à e ± de la physique des particules seront grands C est par contre un effet recherché dans certains cas (accélérateurs dédiés à l utilisation du rayonnement synchrotron) les accélérateurs dédiés au RS seront des machines à e ± compactes La limitation du rayonnement synchrotron disparaît pour un accélérateur linéaire 9/25 10/25 Une caractéristique des collisionneurs Puissance transportée par un faisceau : P (MW) = E (GeV) " I (ma) Collisionneurs de leptons versus collisionneurs de hadrons (1/3) Dans tous les cas, on exploite ΔE* = Δm c 2 Tevatron Energie (GeV) 1000 Courant total (ma) 60 Puissance (GW) 60 Leptons (e -, e +, µ ±?) Particules élémentaires : énergie bien définie et état final propre (+ et -) HERA p HERA e RHIC LHC , , ,55 0, LEP I et SLC ont été ajustés sur le Z TRISTAN n a rien vu (servi a rien?) Luminosité très bien mesurée (à l aide des Bhabha e+e e+e) (+) Particules légères : limitation du rayonnement synchrotron (-) Machine adaptée aux études de précision 11/25 12/25 3

4 Collisionneurs de leptons versus collisionneurs de hadrons (2/3) Hadrons (p, pbar) Particules composites : énergie disponible dans la collision moins bien définie mais gamme d énergie accessible beaucoup plus grande que dans une machine à électrons (-) Machine adaptée aux recherches de particules nouvelles Beaucoup plus de bruit de fond (--) Luminosité mal mesurée Particules lourdes : pas de rayonnement synchrotron (un peu au LHC) (+) Beaucoup de radiation induite autour de l accélérateur (--) Très grandes sections efficaces (pour le signal et pour le bruit!) Par exemple σ(z) / σ tot = 1 au LEP et 10-7 au LHC difficultés de reconstruction des événements et de leur sélection Collisionneurs de leptons versus collisionneurs de hadrons (3/3) Leptons : la largeur d une résonance est obtenue par un scan en énergie dont la limitation vient de la mesure de l énergie des faisceaux Hadrons : la largeur d une résonance est obtenue par la résolution du détecteur Exemple du Υ Collisions hadroniques Collisions leptoniques 13/25 14/25 Collisionneur type Les 1 ers collisionneurs datent des années 60 Exemple : les accélérateurs du CERN Zitoun Bien noter que le faisceau circule typiquement plusieurs heures 15/25 16/25 4

5 Les accélérateurs au CERN Le Large Hadron Collider (LHC) Collisionneur proton proton (E = 7 TeV) Tunnel du LEP (2 π R = 27 km) Aimants supraconducteurs (8,4 T) De la production 90 tonnes d hélium liquide superfluide à 1,6 K «le plus grand réfrigérateur du monde» à la détection 17/25 18/25 20/25 Les autres grands collisionneurs actuels D0 CDF H1 ZEUS STAR Phénix Remarque : certaines expériences ne seront probablement jamais refaites sur d autres accélérateurs (LEP et LHC), d autres sont mêmes uniques (GSI)! 19/25 5

6 H Z Z 4µ dans ATLAS Exemple du canal H Z Z 4 µ au LHC Traces chargées uniquement Le signal + 30 événements de minimum bias 23 événements de biais minimum par croisement 1900 particules chargées particules neutres Les caractéristiques de chaque détecteur sont liées à la physique étudiée (e ±, hadrons, ions, ν,..) Idem en sélectionnant toutes les traces avec p T > 2.0 GeV Les contraintes sur les détecteurs LHC sont énormes (granularité, vitesse d acquisition,..)! 21/25 22/25 Une interaction «typique» en physique des particules On ne détecte directement que les produits finaux Les produits de réaction intermédiaires sont généralement trop instables pour être observés On cherche le maximum d information sur les produits finaux pour remonter à la réaction initiale Exemple du collisionneur LHC Une aide supplémentaire Comme l impulsion du système initial est connue et que l impulsion se conserve, le détecteur est généralement fait pour utiliser cette contrainte 23/25 24/25 6

7 Le détecteur idéal Particules chargées, neutres et photons Couverture de tout l angle solide Mesure de la quantité de mouvement, de l énergie, de la masse, de la charge, Réponse rapide Malheureusement, il n existe pas de méthode de détection permettant de tout mesurer à la fois. Il faut donc combiner plusieurs mesures Limitations : place disponible, technologie, coûts 25/25 7