Les outils du physicien expérimentateur Ou la grande chasse aux particules
Chapitre1 : La traque, oucomment faire sortirles particulesde leurcachette...
Le principe du réveil-matin Question n 1: Comment savoir de quoi est composée la matière qui nous entoure? Réponse: On «casse» Energie
Le principe du réveil-matin Energie
Le principe du réveil-matin Energie
Le principe du réveil-matin On a transforméde l énergie en masse! E = mc² Energie
Collision de protons au LHC (Expérience CMS) en Décembre 2009
Accélérer des particules Question n 2: Comment atteindre ces vitesses de plusieurs milliers de kilomètres/heure? Réponse: On utilise le champ électrique, qui exerce une force sur toutes les particules chargées(électrons, protons...) grâce à de très fortes différences de potentiel. d V = 0 V > = 0
Accélérer des particules 1. Les accélérateurs linéaires (SLAC, TESLA, ILC,...) Avantage: pas de pertes d'énergie dans les tournants Inconvénient: ilfautaccéléreren uneseulefois, et puisles particules sont perdues.
Accélérer des particules 2. Les accélérateurs circulaires (LEP, LHC, HERA...) Avantage: on accélèreàchaquetour Inconvénient: tourner, ca coûte...
Accélérer des particules Exemple: Large Hadron Collider(LHC) -entre 50 et 150m sous terre -27 km de circonférence -le plus grand frigo du monde: -271,3 C!! -l endroit le plus vide du monde. -accélère des protons jusqu àdes vitesses proches de celles de la lumière: ~11 000 tours / seconde On utilise des aimants Supraconducteurs pour «guider» La trajectoire des p+.
Le CERN vu d Hollywood! Le CERN existe près de Genève C est une Organisation Internationale C est un labo top secret Le LHC doit aider àla compréhension de l Univers Le LHC va fabriquer de l antimatière Les salles de contrôle sont en souterrain près de l accélérateur On fait de la recherche sur des sources d énergie alternatives A la pointe de la technologie
Chapitre2 : Le pistage, oucomment savoir qu'une particuleestpasséepar là...
Trajectographes: tout l'artde regardersans se faire voir. Un outilmerveilleux: les chambres à bulles La méthodemoderne: le détecteur électronique En plongeantle détecteurdansun champ magnétique, la trajectoire de la particule est courbée information (impulsion, masse, charge)
Calorimétrie: prendrela proiedansun filet Attrapez-les tous! Rien ne peut sortir. Objectif: récolter un maximum de l'énergie de la particule
Calorimétrie: prendrela proiedansun filet Attrapez-les tous! Rien ne peut sortir. Objectif: récolter un maximum de l'énergie de la particule γ e
Calorimétrie: prendrela proiedansun filet Attrapez-les tous! Rien ne peut sortir. Objectif: récolter un maximum de l'énergie de la particule e + γ e γ e - e +
Calorimétrie: prendrela proiedansun filet Attrapez-les tous! Rien ne peut sortir. Objectif: récolter un maximum de l'énergie de la particule e + e + γ e e + e + γ e e - γ γ γ e e e + e + e + e - γ e γ e - e + γ γ e - γ γ e e e + e + e + e - γ γ e - e + γ e - e + e +
Calorimétrie: prendrela proiedansun filet Attrapez-les tous! Rien ne peut sortir. Objectif: récolter un maximum de l'énergie de la particule: Facile pour un électron mais plus difficile pour un proton e + e + e + e + e - e e + - - e e e + - e e e + + - - e e + - e + - e e - e + - e - e + - e + e - e e + -
1) les particules instables: Mesures indirectes : devinerl'invisible π 0 γγ e + e - e + e -
1) les particules instables: Mesures indirectes : devinerl'invisible π 0 γγ e + e - e + e -
1) les particules instables: Mesures indirectes : devinerl'invisible π 0 γγ e + e - e + e -
2) les neutrinos : Mesures indirectes : devinerl'invisible Comment «voir» un neutrino (particule invisible)? Par la conservation de l impulsion totale! Exemple au LEP (collisionneur électron anti-électron)
Chapitre3 : L'équipementdu chasseur de particules
On a besoin: Maisde quoi a-t-on besoin? 1) D un accélérateur: machine performante qui nouspermetde faire entreren collision des particules de très haute énergie E=mc² 2) D un détecteur afin de: - mesurer l énergie des particules (calorimètres) - voir leur charge et leur trajectoire (trajectographe et champ magnétique) -déduireautantd informationsquepossible (impulsion manquante,produitsde désintégration, )
Le détecteurcms Longueur = 21.5m Diamètre = 15m Poids = 12 500t B = 4T
CMS -Compact MuonSolenoid Chambres à muons Aimant Calorimètre hadronique Calorimètre Électro-magnétique Trajectographe
C esttout? Non, au LHC il y a 4 détecteurs en tout: ATLAS CMS LHC-b ALICE Explorer la physique àl énergie du TeVet rechercher le Boson de Higgs. Etudierla physique du quark b et de la violation CP Etudierla physique des ions lourds et les plasma quarks-gluons. Non, d autres accélérateurs (Tevatron, Hera): CDF ZEUS Non, pour les neutrinos : Super-Kamiokande, Ice-cube, Antares,...
Chapitre4 : Reconnaîtresaproie.
Chambres à muons Visualisation dudétecteur Aimant Calorimètre hadronique Calorimètre Électro-magnétique Trajectographe àstrips Trajectographe àpixels 35
L'électron - Léger Dévié par toutes les collisions et facilement arrêté - Particule chargée Traces visibles dans le trajectographe «gerbe» électromagnétique: Arrêt dans le calorimètre électromagnétique
Le photon -Interagittrèsfort avec les électrons: gerbes visibles dans le calorimètre électromagnétique - Particule non chargée Pas de traces visibles dans le trajectographe
Le muon Grand (gros) frère de l électron Muon = impossible à arrêter Temps de vie = 2µs, maisplus quesuffisant! surface totale du détecteur : un terrain de football: 6000 m 2! -Interagittrèspeu: - Discret dans les calorimètres - Particule chargée - Traces visiblesdansle trajectographe
Le tau «Trop»grosfrèrede l électron Temps de vie = 3 10-13 s : ilmeurttout de suite On le reconnaît par ses produits de désintégration: Muon+ neutrino 1 + neutrino 2 Electron + neutrino 1 + neutrino 2 Pion+ neutrino Pion1 + Pion2 +Pion3 + neutrino τ - π - π + π - (ν)
Les quarks Particules chargées, mais qui interagissent très fort entre elles! Les quarks restententreeux, par 2 oupar 3, et nesortent jamais seuls. Quandun groupede quark se sépare, ila tendanceàcréerdes pairesde quarks : Il hadronise Commecespairesde quarks font de même, on obtient un jetde particulesàbase de quarks, et autres. Prix Nobel 2004!! On connaît6 quarks, qui constituent entre autres les protons, les neutrons, les pions
Les neutrinos Trèstrèslégers Pas de charge électrique pas visibles dans le trajectographe Pas de jets Interagissent très peu On neles observe pas dansun «petit»détecteur 2 solutions : - détecteurs pharaoniques Missing Energy ou - déductions logiques
On récapitule... Mesure l él énergie des particules hadroniques (protons, neutrons) Détecte et mesure l impulsion l transverse des muons Le point d interaction d se situe au centre du détecteur Tracker IP Le champ magnétique permet de défld fléchir les particules chargées B Mesure l él énergie des particules électromagnétiquestiques (électrons, photons) Mesure l impulsion transverse des particules chargées (électrons, protons, muons)
On récapitule...
Chapitre5 : Maisqu estcequ oncherche???
Le principe du réveil-matin Les particules produites intéressantes (les radios-réveils!) se désintègrent presque instantanément Il faut donc déduire leur production en cherchant des «signatures» particulières Energie
Le boson de Higgs Selonla masse duhiggs (inconnue), ilse désintègrerade préférenceen différentes particules et sera plus ou moins facile à identifier!
La supersymétrie Une nouvelle symétrie qui prédit le même monde que le notre... Mais en beaucoup plus lourd instable
Les Expérimentateurs ont besoin de : Conclusion - Puissant Accélérateur - pour créer de nouvelles particules - Détecteurs Gigantesques - pour les identifier - Deviner l Invisiblel - pour les neutrinos - Interpréter les données - pour faire une découverte Tout ce qui a étéprésentéaujourd hui est une approche simplifiée de notre travail quotidien
Accélérateurs:développés dans les laboratoires de physique sont utilisés dans les hôpitaux A peu près 9000 des 17000 accélérateurs dans le monde d aujourd hui sont utilisés pour la médecine. Hadron Therapy Courtesy of IBA
Détecteurs:développés dans les laboratoires de physique sont utilisés pour l imagerie médicale PET (Positron Emission Tomography) utilise de l antimatière (positrons)
D autres retombées WWW-20 ans d âge!
Methodology L'ordinateur le plus tentaculairedu monde... CMS : 1 téraoctet de données produit/sec = volume d un annuaire avec nom & adresse de tous les êtres humains de la terre pour collecter, stocker, répartir et analyser ces énormes quantités de données Après le web: un pas de plus vers l informatique décentralisée. Pour analyser les données, des dizaines de milliers d'ordinateurs dispersés dans le monde sont exploités dans le cadre d'un réseau, la Grille de calcul.
Production de trounoir au LHC 12 LHC
Accident du19 Septembre2008