POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB -19 avril 2002 Contenu (suite): Après-midi: Le CERN Résumé du cours du matin. Les outils de la physique : Pourquoi de hautes énergies? Comment les obtenir? Les accélérateurs. Comment détecter? Quelques types de détecteurs. Déroulement d une expérience. La participation belge.
Résumé Au CERN on étudie principalement les constituants les plus ténus de la matière et leurs interactions
Résumé Les constituants élémentaires de la matière:
Résumé Les constituants élémentaires de la matière: + leurs antiparticules
Résumé Les interactions fondamentales: L échange de particules est responsable des forces Type Intensité relative vecteur Où? force forte ~1 gluons noyau force é.m. ~10-2 photon atom e force faible ~10-5 Z 0, W +, W - b gravitation ~10-38 graviton?? objets m assifs
Résumé Le modèle standard (SM): Théorie électrofaible + QCD + modèle des quarks Théorie électrofaible: rend compte des interactions é.m. et faible dans une seule théorie QCD: la chromodynamique quantique décrit les interactions fortes englobe tous les phénomènes naturels, sauf la gravitation
Résumé Références: http://public.cern.ch/public http://marwww.in2p3.fr/voyage/standard.html http://www.lal.in2p3.fr/cpep/adventure.html http://particleadventure.org/particleadventure/ frameless/index.html «La matière première», Michel Crozon, Seuil
Pourquoi de hautes énergies? Pour étudier un objet, on le bombarde avec des particules ou avec des ondes électromagnétiques: Onde visible Dans ce cas le pouvoir de résolution est limité par le phénomène de diffraction: Franges de diffraction Optique parfaite
Pourquoi de hautes énergies? Critère de Rayleigh: résolution spatiale 1,22?/D D: ouverture l = longueur d onde? r lumière visible :l» 0.5 µm grain photo au microscope optique
Pourquoi de hautes énergies? Mécanique quantique : petites dimensions équivalence onde - corpuscule E = hc / λ constante de Planck longueur d onde Microscope électronique: structure cristalline molécules de colloïde
Pourquoi de hautes énergies? Pour sonder la structure des nucléons: l < 10-16 m Des énergies beaucoup plus hautes encore! de quelques Gev (1960) à plusieurs Tev ( 21 ème siècle)
Comment les obtenir? Dans le rayonnement cosmique: n, p et quelques noyaux qui proviennent du soleil, des étoiles et des galaxies. Atmosphère: p+nucléon fi...p,k,... gerbe! Au sol: m (75%) e, g(25%) Avec des accélérateurs de particules.
Les accélérateurs: Le principe: une source de particules: p, e - ou ions +, obtenus à partir d atomes ionisés par une décharge électrique des champs électriques pour accélérer ces particules des champs magnétiques pour les guider Les composants de base: HT + La source: H 2 - + Hydrogène gazeux Vers les cavités accélératrices
Les accélérateurs: Les composants de base: Les cavités accélératrices:
Les accélérateurs: Les composants de base: Les aimants de guidage: Aimant bipolaire pour courber la trajectoire dans les accélérateurs circulaires quadrupoles et sextupoles pour focaliser le faisceau (cf. lentille)
Les accélérateurs: Les composants de base: Eventuellement des cibles: Lorsqu on désire un faisceau d autre chose que des p, e - ou ions, on envoie le faisceau primaire sur une cible afin de provoquer des interactions et créer secondaires. Celles-ci sont ensuite sélectionnées et guidées à leur tour. Exemples: faisceau de p + faisceau de neutrinos faisceau de positons faisceau d antiprotons Le tunnel:
Les accélérateurs: Linéaires: Avantage: pas d énergie perdue par rayonnement synchrotron (e) Désavantage: longueur et coût énergie! Circulaires:
Les accélérateurs: Expérience à cible fixe ou collisionneur? Le collisionneur permet d atteindre de plus grandes énergies dans le système de repos, à énergie égale du ou des faisceaux accélérés.
Les accélérateurs: Le complexe d accélérateurs du CERN
Les accélérateurs
Comment détecter les particules? Particules neutres Interactions secondaires: Energie manquante n+p p+p+ p + - g+a e +e +A -
Comment détecter les particules? Dans les expériences à cible fixe, les particules sont émises vers l avant où sont placés les détecteurs Dans les collisionneurs, les particules sont émises dans toutes les directions et les détecteurs entourent la zone de collision.
Comment détecter les particules? Chaque couche de détecteur a un rôle particulier à jouer:
Comment détecter les particules? CMS p p Diamètre: 14,6 m Poids: 14.500 T Longueur: 21,6 m
Comment détecter les particules? 18 interactions pp enregistrées simultanément avec une interaction intéressante dans laquelle un Higgs se désintégrant en 4 m énergétiques sont émis Où sont les 4 muons?
Comment détecter les particules? 0 + - + - H µ + µ + µ + µ Après suppression des traces avec p < 2 Gev On distingue les 4 muons en jaune Possible si la taille des cellules de détection est de ~1 mm 2, ce qui conduit à 10 7 signaux!
Quelques types de détecteurs: Les chambres à muons: Ce sont souvent des détecteurs à gaz, par exemple des chambres à dérive: Section au travers d un long tube particule chargée C + + - - A + - d E C: cathode A: anode E: champ électrique Les e- dérivent vers l anode où le champ électrique très intense (1/r) provoque une avalanche qui induit un signal sur l anode. La mesure du temps de dérive donne la distance.
Quelques types de détecteurs: Les calorimètres: Ils sont constitués de matériaux très denses pour provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique Exemple: scintillateur plombé Principe des scintillateurs: Au passage d une particule chargée, les atomes du scintillateur sont excités et se désexcitent en émettant de la lumière pour laquelle il est transparent
Quelques types de détecteurs: Principe des scintillateurs: A l aide d un guide de lumière, la lumière est dirigée vers un photomultiplicateur. L amplitude des signaux est proportionnelle à l énergie déposée par la particule incidente. Dans un calorimètre l énergie de la gerbe est ainsi obtenue.
Quelques types de détecteurs: Les détecteurs de traces: Pour reconstruire la trajectoire chargées, il faut mesurer les coordonnées de leur point d impact avec plusieurs couches de détecteurs successives:
Quelques types de détecteurs: Les détecteurs de traces:
Quelques types de détecteurs
Déroulement d une expérience
Déroulement d une expérience
La participation belge