Un géant pour l infiniment petit. Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
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- Claire Clermont
- il y a 6 ans
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1 le LHC Un géant pour l infiniment petit Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
2 La physique des particules en (très) bref La matière: constituants ( particules ) et interactions. Lesquels? Particules élémentaires: quarks, électrons, Interactions: électromagnétique, faible, forte, gravité Matière noire? electrons Protons,neutrons quarks Pourquoi? Les particules existent-elles? D où vient leur masse, leur charge? Y a-t il 3 dimensions à l espace? D où viennent-ils? Des plus petites distances aux plus grandes Big bang (il y a 13 milliards d années!) Evolution de l univers: particules => atomes => galaxies, étoiles, planètes, nous Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
3 Enjeu scientifique du LHC Le «Modèle standard»: notre vision des constituants élémentaires et de leurs interactions Mécanique Quantique + Relativité (20 e siècle) + Des principes de symétrie très profonds Modèle très puissant: confirmé par toutes les mesures aujourd hui! Mais incomplet : Côté particules: Boson de Higgs?, autre mécanisme? Côté cosmologie: Matière noire? Théories «au-delà du Modèle Standard»: Supersymétrie, dimensions supplémentaires, etc. Toutes les mesures indiquent: la/les clé(s) à une énergie autour de «1 TeV» (= 1000 GeV) Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
4 L expérimentation aux grands accélérateurs Grands centres internationaux: Europe : CERN (Genève), DESY(All.), US : FNAL, SLAC, Japon :KEK Au CERN : LEP de 1989 à 2000 (anneau souterrain 27 km, collisions électron-positon => 207 GeV Une réussite : machine, expériences, analyses ont dépassé leurs engagements initiaux. Une moisson de résultats de précision sur le Modèle Standard mais toujours pas de «Higgs» (?) ni de «nouvelle physique». Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
5 Le projet LHC au Cern LHC: proton-proton 14 TeV dans le tunnel du LEP Complexe d accélérateurs du Cern utilisé comme injecteurs Très nombreux paquets de protons 4 points d intersection: 4 expériences Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
6 Machine LHC: collisionneur proton-proton dans le tunnel du LEP (circonférence 27 km). Énergie de faisceau : 7 TeV => collisions à 14 TeV (7 fois l actuel «TeVatron» de Chicago) Intensité nominale: 40 millions de collisions/seconde (= 100 fois TeVatron) Première réunion à Lausanne 1991 Résolution de principe sur LHC 1993 Abandon du concurrent US: SSC 1994 Accord pays européens pour LHC 1995 Approbation ATLAS et CMS 1997 US, Japon, Inde rejoignent LHC 1998 Début génie civil cavernes expériences Construction machine et expériences 2008 Mise en service Le 1000 e aimant en place dans le tunnel! Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
7 1232 aimants de courbure (dipôles) champ magnétique 8,4 Tesla (record pour accélérateur) > 5000 autres aimants (focalisation) Tous supraconducteurs, à 1,8K (!) Aimants de guidage et cryogénie Note: Amenées de courant en supra Haut T C! Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
8 Etat d avancement de la machine 26 Avril 2007: Le dernier aimant descend dans le tunnel Tous les aimants en place Installation en cours Très complexe: Interconnections, refroidissement, réglages Fermeture machine: Avril 2008 Premiers faisceaux circulants: Mai 2008 Premières collisions: Juillet 2008 à pleine énergie (14 TeV) mais basse intensité Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
9 Expériences sur collisionneurs: principe A chaque point d interaction: un grand Détecteur Collision => événement : dizaines de particules sortantes Détecteur en oignon autour du point de collision: détection des particules stables Différentes couches => milliers (millions) de détecteurs élémentaires (électroniques) Chaque détecteur donne si une particule le touche: Position Energie (et/ou) de la particule Type Taille ~20 m x 20 m x 30 m Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
10 Reconstruction, analyse, découverte Analyse: reconstitution de la collision à l aide de (très gros) logiciels Recherche de processus inconnus Mesures de précision Lutte contre les bruits de fond Simulations complètes: Théorie, Détecteur, Électronique, Logiciel Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
11 Expériences ATLAS et CMS Alice LHCB proton-proton à haute luminosité ion-ion physique du quark B (Higgs, etc.) Détecteurs rapides ( ns) finement divisés (millions de voies) résistants aux rayonnements flux d information très élevé Expériences grandes et complexes Collaborations mondiales ~1500 physiciens, 150 instituts Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
12 ATLAS aimant toroïde central détecteurs à muons 25 m aimant toroïde avant détecteur central de traces solénoïde calorimètre électromagnétique 45 m calorimètres hadroniques Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
13 Aimant toroïde central Atlas Testé à plein courant (21000 A) le 9 Nov 2006! Conception aimant: CEA-Dapnia (Saclay) Réalisation: Industrie, labos, Cern Champ magnétique: Calcul Mesure (2000 sondes de Hall) Reconstruction en tout point Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
14 But : Mesure des trajectoires des MUONS Reconstruction de leur impulsion Atlas: Système à muons 3000 m 2 de chambres à fils, autour de et dans l aimant suivi de la position de tous les détecteurs à 30 microns près en temps réel (système optique) Logiciel de reconstruction des traces mis au point sur simulations complètes. Actuellement en test avec les (vrais!) muons cosmiques Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
15 ATLAS: détecteur de traces interne à pixels But: Détection des traces très près du point d interaction 1744 plaquettes de silicium 16x 60 mm 2 Une plaquette: pixels de 50 x 400 microns 1,4 m Total: 80 millions de pixels Précision spatiale: ~15 x 120 microns 25 cm 1 cm Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
16 Electronique de traitement Fonctions: traitement du signal, sélection des événements. Pour chacun des millions de détecteurs élémentaires ( et 40 millions de fois par seconde): Traitement signal, Numérisation Circuit intégré (6x6 mm) Pour l événement complet: Calculs rapides=> quantités physiques Sélection des événements Sur fermes de PC (~2000 PC en parallèle) => Enregistrement de l événement Atlas: 750 armoires Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
17 Logiciels, Analyse, grille de calcul enregistrement de ~100 événements/sec 1 événement = 1,5 MByte ~10 millions GByte par an à stocker et processer nécessite ~ PC tournant 24h/24 => Grilles de calcul Centres de calcul (fermes de processeurs) Réseaux rapides Software «transparent» (~ hyper Kazaa ou Emule) Mardi, 17: jobs actifs sur 140 sites Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
18 Recherche à LHC (Simulations!) Evénement «Higgs Standard» Boson de Higgs Standard Découverte quasi certaine (si c est bien la bonne théorie!) Le Modèle Standard : peut-être pas toute l histoire? Autres théories (plus vastes) : Supersymétrie, dimensions supplémentaires, etc. Nombreuses possibilités de découverte Evénement «micro trou noir» Energie naturelle du Modèle Standard 1 TeV Energie des collisions à LHC Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
19 Conclusion 2008: mise en service du LHC et ses expériences Aboutissement d un grand effort technologique Début d une grande aventure scientifique (pour au moins 10 ans ) Très forte attente de la communauté internationale des chercheurs Découverte? Jamais garantie, mais LHC est le premier accélérateur capable d explorer complètement l échelle d énergie du Modèle Standard: 1 TeV Mais attention au TeVatron (US) Une «fenêtre d opportunité» sur le Higgs vers 2009 si sa masse est entre 115 et 140 GeV Pas de retard pour LHC!! Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct
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