Accélérateurs et détecteurs de particules. Masterclass de Clermont-Ferrand Mars 2012

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1 Accélérateurs et détecteurs de particules Masterclass de Clermont-Ferrand Mars 2012

2 I - LES ACCÉLÉRATEURS But: provoquer des collisions de particules (électrons, protons, ) Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en matière Création de nouvelles particules explorer les forces et les particules fondamentales de la nature Physique des particules 2

3 I - LES ACCÉLÉRATEURS La Physique des accélérateurs F qe qv B Les équations de Maxwell sont relativistes; par conséquent, ce que nous écrirons classiquement vaudra pour des objets relativistes. LES CHAMPS ELECTRIQUES ACCELERENT LES PARTICULES. LES CHAMPS MAGNETIQUES PERMETTENT DE CONTROLER LES TRAJECTOIRES. Physique des particules 3

4 I - LES ACCÉLÉRATEURS Les accélérateurs linéaires Dans un tube cylindrique sous vide sont alignées des séries d électrodes. Leur polarité électrique est alternée en les connectant à une source de radiofréquences. Les particules chargées sont accélérées pendant leur passage entre deux électrodes (DE =qv) et la radiofréquence alterne la polarité de l électrode suivante pour qu à sa sortie du premier intervalle d accélération la particule soit soumise à une différence de potentiel identique (minimisation de la longueur d accélération). Physique des particules 4

5 I - LES ACCÉLÉRATEURS Les accélérateurs linéaires Lorsque l on a affaire à une particule légère, elle atteint rapidement une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Elle peut dès lors être accélérée par une onde électromagnétique produite dans une cavité résonante (PROPAGATION EN PHASE AVEC L ONDE). Physique des particules 5

6 I - LES ACCÉLÉRATEURS Les accélérateurs linéaires Le plus grand accélérateur linéaire était à Stanford et a servi d injecteur au SLC. Sa longueur est de 3km et l énergie atteinte par les électrons est 20 GeV. Physique des particules 6

7 I - LES ACCÉLÉRATEURS Les accélérateurs circulaires : le synchrotron Si l on ne peut jouer sur l ajustement du champ électrique, pourquoi ne pas travailler sur le contrôle de la trajectoire, c est-à-dire sur l ajustement du champ magnétique. L idée consiste donc à ajuster la trajectoire pendant l accélération pour la maintenir sur une trajectoire circulaire (rayon de courbure constant). L accélérateur est donc constitué d une série d aimants dipolaires (maintiennent la trajectoire circulaire) et d aimants quadripolaire (assurent la focalisation du faisceau), intercalés avec des systèmes d accélération radiofréquence. Des espaces sont réservés aux zones d interaction. D IP Q RF Physique des particules 7

8 I - LES ACCÉLÉRATEURS Les accélérateurs circulaires : Contrôle de la trajectoire Des aimants permettent de courber la trajectoire des particules Il faut aussi contrôler la taille du faisceau de particules: focalisation à l aide de quadrupoles Physique des particules 8

9 I - LES ACCÉLÉRATEURS Le Large Hadron Collider Un tunnel circulaire de 27 km de circonférence Physique des particules 9

10 I - LES ACCÉLÉRATEURS Le Large Hadron Collider: Gran Collisionneur de Hadron Un gigantesque instrument long de 27 km refroidit à 1,9 Kelvin un vide de atmosphère Dans lequel des protons ou des ions de plomb sont accélérés presque à la vitesse de la lumière avant d entrer en collision frontale! Physique des particules 10

11 Les détecteurs de la physique subatomique Ils servent à identifier et mesurer les caractéristiques des particules mises en jeu dans une réaction d accélérateurs ou de particules d origine cosmique. Ses fonctions principales sont : Déterminer la trajectoire des particules Déterminer leur charge électrique et leur impulsion Identifier la nature des particules Mesurer l énergie des particules neutres Physique des particules 11

12 La Physique des détecteurs : L IONISATION Physique des particules 12

13 DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEURS: LE VDET D ALEPH Physique des particules 13

14 TRAJECTOGRAPHE ET IMPULSION: LA TPC D ALEPH GEOMETRIE ET PRINCIPE Une particule traverse la chambre gazeuse en l ionisant. Les électrons d ionisation sont guidés vers les extrémités par un champ électrique La charge est collectée par des fils (chambre à fil) et lue simultanément par effet capacitif sur des cellules (les pads) La charge est mesurée. La segmentation du plan de pad permet de calculer le de/dx et donc d identifier les particules. Physique des particules 14

15 TRAJECTOGRAPHE ET IMPULSION: MESURE DE L IMPULSION MESURER L IMPULSION, C EST MESURER LE RAYON DE COURBURE. LA TRAJECTOIRE GENERALE EST UNE HELICE. mv qb 2 L 8s s 2 Un peu de géométrie élémentaire: la corde et la flèche. Si s L, p c 300B 2 L 8s Physique des particules 15

16 La Physique des détecteurs 3) RAYONNEMENT DE FREINAGE g e e g Noyau Physique des particules 16

17 LA PHYSIQUE DE LA CALORIMETRIE EM Les calorimètres sont des mesureurs d énergie par destruction : toute l énergie de la particule est dégradée dans le volume de détection. Le nombre de particules dans la cascade (ou gerbe) est proportionnel à l énergie de la particule incidente. Les électrons commencent par perdre leur énergie par rayonnement de freinage. Les photons perdent leur énergie par création de paires, diffusion Compton et effet photoélectrique. Les positrons s annihilent avec les électrons du milieu pour produire des photons. Ci-contre un électron de 20 GeV dans du fer. Physique des particules 17

18 La Physique des détecteurs 5) EFFET CERENKOV Quand une particule chargée traverse un milieu dispersif d indice de réfraction n (c lum =c/n) à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce milieu, ELLE EMET UN CONE DE LUMIERE BLEUE. C est l analogue du mur du son. Le demi-angle au sommet du cône est donné par cos 1 n gm pn CONNAISSANT P ON PEUT DETERMINER LA MASSE DE LA PARTICULE ET DONC IDENTIFIER SA NATURE. Physique des particules 18

19 La Physique des détecteurs 5) EFFET CERENKOV : le DIRC de BaBar Physique des particules 19

20 POUR LIRE LA LUMIERE LE PHOTOMULTIPLICATEUR Physique des particules 20

21 Physique des particules 21

22 LES MUONS Les muons sont des particules chargées, on les voit dans le détecteur de traces, mais ils ne s arrêtent pas dans les calorimètres. Les chambres à muons sont placées «après tout le reste» il y a donc une grande quantité de matière en amont. Les particules autres que les muons (et les neutrinos) ne les atteignent pas. Physique des particules 22

23 RÉSUMÉ Physique des particules 23

24 Backup Physique des particules 24

25 L interaction de base est cette fois l excitation atomique ou moléculaire; le retour à la stabilité s opère par émission de lumière (c est la fluorescence). Le passage d une particule est synonyme de production de lumière détectable. BANDE DE CONDUCTION ETATS D ENERGIE AVEC DOPANT ELECTRON D EXCITATION PHOTON TROU BANDE DE VALENCE Physique des particules 25

26 Physique des particules 26

27 ébullition: il y a des centres de nucléation (les ions créés par agitation thermique, des poussières et des défauts/irrégularités de surface du contenant). Quand une particule chargée traverse un liquide, elle l ionise. Des bulles DOIVENT donc se former le long de la trajectoire! PRINCIPE : hydrogène liquide à une température supérieure à la température d ébullition sous une pression de 10 atmosphères ajustable : pas d ébullition. Après le passage d une particule chargée (déclenché par un scintillateur par exemple), la pression est diminuée autorisant le développement des bulles le long de la trajectoire. Au bout de quelques ms, les traces des particules peuvent être photographiées en stéréo par plusieurs appareils. UN TRACKER 3D MAGNIFIQUE! La pression est remontée pour éviter l ébullition. Physique des particules 27

28 I - LES ACCÉLÉRATEURS Les accélérateurs circulaires Le premier d entre eux est le cyclotron imaginé par Lawrence dans les années B E Pour un champ magnétique B uniforme et constant orthogonal à la vitesse des particules, la trajectoire est circulaire (de rayon de courbure ) et demeure dans le plan de la figure. Dp d mv ; qb qedt qv v Dee qb m B dp dt d(b p) dt B (qv B) 0 On accélère la particule au passage d un Dee à l autre, il faut donc inverser la polarité avec une tension haute fréquence. Néanmoins, ce type de machine est limité par la taille des électro-aimants et des Dees: les énergies maximales que l on peut atteindre sont de l ordre du GeV. Physique des particules 28

29 DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEURS: LE VDET D ALEPH Une chambre d ionisation à semi-conducteur est formée par une jonction p-n alimentée en inverse à laquelle on applique une tension suffisamment grande pour avoir une déplétion complète du volume de détecteur. Dans l échelle de gauche, il y a des séparateurs isolants fins (SiO 2 ) qui rendent les damiers indépendants. Le passage d une particule crée de l ordre de paires électrons-trous, dont la dérive donne un signal mesurable. Physique des particules 29