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Les accélerateurs et les detecteurs
• Les rayons cosmiques
• Accélérateurs • Le CERN • Le LHC (collisionneur pp) • Détec=on des par=cules • ATLAS et CMS • Le choix des évènements
• Le LEP (collisionneur e+e-) • L’analyse
Les rayons cosmiques (1912)
Victor Franz Hess (1883-‐1964) prouve en 1912 l’existance de par=cules chargées provenant du cosmos: ≈90% p et ≈10% He. Piégés par le champs magné=que terrestre ils forment les ceintures de Van Allen. Ils sont d’origine solaire, galac=que et extragalac=que. Même si elles sont rares, les plus grandes énergies jamais observées viennent des rayons cosmiques.
Aurore boréale
Flux des rayons cosmiques en fonc=on de leur énergie
Anatomie d’un accélérateur • Les accélérateurs de par=cules sont des machines électromagné=ques: des
champs électriques (E) accélèrent des faisceaux de par=cules chargées (assimilables à des courants électriques) dont les trajectoires sont guidées et focalisées par des champs magné=ques (B). Les champs électriques variables en phase avec le passage des par=cules, sont produits dans des cavités résonantes hyperfréquence, tandis que les champs magné=ques sont produits par divers types d’électroaimants. Pour éviter leur diffusion par les molécules d’air, les par=cules accélérées se déplacent dans un tube de faisceau où règne un vide poussé. Les trois composants principaux d’un accélérateur sont donc le système hyperfréquence d’accéléra=on, les électroaimants et la chambre à vide.
• Le tube cathodique fut le premier accélérateur de par=cules
• Aujourd’hui le fleuron de ces instruments est le LHC
• Le chemin parcouru entre ces deux machines est jalonné de défis technologiques • On a dû apprendre à focaliser et à stocker un faisceau ou encore, à afeindre
l’ultravide et des froids extrêmes
• Les accélérateurs de demain seront aussi porteurs de défis à gagner
Les accélérateurs
Ernest O. Lawrence (1901-‐1958)tenant le premier cyclotron, vers 1930
Éléments d’un accélérateur : Source de par=cules chargées (p, e-‐,….) Champ E pour accélérer Champ B pour diriger
La source de proton est une simple bouteille de gaz d’hydrogène. De forts champs électriques séparent les p des e-‐ dans les molécules d’hydrogène. Plus difficile est avoir un faisceau de an=par=cules : an=protons ou e+. Les an=par=cules doivent d’abord être produites par interac=on de protons de grande énergie sur une cible. Le champ E accélère la par=cule, son énergie augmente et elle voyage à une vitesses proche de la vitesse de la lumière. Le champ B guide le faisceau des par=cules dans tout leur parcours
Le champ B définit la trajectoire de la par=cule chargée, elle fait des
cercles de plus en plus larges, lorsque p augmente.
Pourquoi un accélérateur ?
• Loupe pour chercher à l’intérieur de la ma=ère: λ = h/ p Si on augmente la quan=té de mouvement p on explore des dimensions λ de plus en plus pe=tes
• Energie pour créer de la nouvelle ma=ère : E = mc2
Unité d’énergie : eV = 1,6 10-‐19 J énergie acquise par un électron dans une différence de
poten=el de 1V MeV = 106 eV
GeV = 109 eV Unité de masse eV/c2 ou eV (si l’on pose c=1) =1,78 10-‐36 Kg Unité d’impulsion p eV/c ou eV (si l’on pose c=1)
• Tesla : Il est défini comme l'induc=on magné=que qui, répar=e normalement et uniformément sur une surface de 1 mètre carré, produit à travers cefe surface un flux d'induc=on électromagné=que total de 1 weber :
• Dans les unités dérivées du système interna=onal, un tesla peut être donné par les expressions suivantes :
• Unités u=lisées :
• A : ampère courant électrique
• kg : kilogramme masse
• m : mètre longueur
• N : newton force
• s : seconde temps
• T : tesla champ magné=que
• V : volt poten=el électrique
• W : waf puissance électrique
• Wb : weber flux magné=que
• J : joule travail
Les accélérateurs On peut avoir différent forme de champs E (cavité accélératrices) et B (aimants) et
différents desseins d’accélérateur, l’énergie des faisceaux a augmentée exponen=ellement
dans le temps (diagramme de Livingston). Accélérateur linéaire : les par=cules voyagent en ligne droite, sans perdre d’énergie
Synchrotron: les par=cules restent longtemps sur un cercle, elles sont accélérées
chaque fois qu’elles passent devant les champs E, posi=onnés sur le cercle.
Les champs B =ennent les par=cules sur l’orbite.
Collisionneur : deux faisceaux
de par=cules voyagent en
sens envers. Ils interagissent
lorsque ils se rencontrent
dans les détecteurs. Sur une orbite circulaire une par0cule chargée perds l’énergie par radia0on, d’autant plus si sa masse est pe0te. (Radia0on de synchrotron pour un e.) C’est ainsi difficile d’augmenter l’énergie
dans un accélérateur d’électrons.
Histoire du CERN • 1951 le Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire est crée par l’UNESCO • 1952 siège établi à Genève, referendum en juin 1953 avec 70% oui • 19 octobre 1954 date officielle de la fondation du CERN. • 1957 SC-Synchrocyclotron de p à 600 MeV (106 eV), opérationnel jusqu’en 1990 • 1959 PS-Proton Synchrotron à 28 GeV (109 eV) • 1968 George Charpak invente la chambre proportionnelle à multi fils (Nobel 1992) • 1971 ISR-Intersecting Storage Ring le premier collisionneur • 1973 découverte des courants neutres à la chambre à bulle Gargamelle • 1976 SPS : 7 km circonférence, 450 GeV, (p, S, O, e-,e+,p, p) • 1981 SPS comme collisionneur de protons et antiprotons 630 GeV (UA1 et UA2) • 1983 Découverte du W et Z prix Nobel pour Carlo Rubbia et Simon van der Meer en 1984 • 1989 World Wide Web par Tim Berners-‐Lee • 1989-2000 LEP-Large Electron Positron collisionneur 27 km circonférence • 1989-1996 LEP1 100 GeV, 1997-2000 LEP2 jusqu’à 209 GeV (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL) • 2008- LHC-Large Hadron Collider (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE) (p,Pb) • 2008-2013 LHC 7-8 TeV (1012 eV) 2015 13 TeV • 4 juillet 2012 Découverte du Higgs, prix Nobel pour François Englert et Peter Higgs en 2013
Les prix Nobel
Carlo Rubbia(1934-‐) et Simon van der Meer(1925-‐2011) Prix Nobel 1984 pour la découverte du W et Z Georges Charpak (1924-‐2010)
Prix Nobel 1992
Fabiola Gianoy (ATLAS), le 4 juillet 2012 Découverte du Higgs François Englert et Peter Higgs, prix Nobel 2013
Les accélérateurs du CERN 1957 SC-Synchrocyclotron de p à 600 MeV 1976 SPS : 1317 aimants dont 744 dipôles , 7 km de tunnel
2008- LHC-Large Hadron Collider 27 km de tunnel. Cavité accélératrices et aimants supraconducteurs (1232 dipôles et 392 quadripôles)
CERN LHC Large Hadron Collider (2008-‐ ) Tunnel de 26,7 km Des milliers de paquets, chacun composé de cent milliards de p, circulent dans deux direc=ons opposées, à une vitesse proche de celle de la lumière. Les p se rencontrent en 4 points d’interac=on, autour desquels 4 grand détecteurs (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE) analysent les résultats des collisions. Les aimants et les cavités accélératrices du LHC travaillent dans une plage de valeurs limités, il faut donc que les p rentrent dans l’anneau déjà avec une énergie suffisamment élevée, tous les accélérateurs du CERN sont mis à contribu=on.
20 millions de chocs entre paquets par seconde. En moyenne 30 p d’un paquet interagissent avec 30 p de l’autre paquet. Plus que 500 millions de collisions par seconde. Les faisceaux circulent plusieurs heures dans le LHC, leur intensité faiblit lentement. Lorsque l’intensité est trop faible on extrait le faisceau (beam dump)
LEP Large Electron Positron (1989-‐2000)
Au LEP il y avait 4 détecteurs : ALEPH, OPAL, DEPLPHI, L3 Les électrons et le positrons circulaient dans le même tube à vide.
A toutes les étapes de l’accéléra=on le faisceau peut être exploité pour des expériences : faisceaux extraits
A environ 100 m de profondeur Les aimants supraconducteurs sont formés par un alliage de niobium et de =tane (B limité à 8 Teslas ) maintenu à une température de 1,9 K (-‐271 °C)
FCC (Future Circular Collider) hh ee he • 1983 première proposi=on du LHC , début des études
• 1994 Le Conseil du CERN approuve le LHC
• 2010 premières collisions à 3,5 + 3,5 TeV
• 2015 collisions à l’énergie de 13 TeV.
• Il faut maintenant faire un projet pour 2040 !
Future Circular Collider ≅100 TeV
Détec=on des par=cules • Un détecteur de par=cules moderne est composé de couches de sous-‐détecteurs, chacun étant
spécialisé dans un type de par=cule ou une propriété. • Il existe trois grands types de sous-‐détecteurs :les détecteurs de traces, les calorimètres, qui
arrêtent une par=cule et en absorbent l'énergie, ce qui permet de mesurer celle-‐ci, les iden=ficateurs de par=cules, qui iden=fient le type de la par=cule à l'aide de techniques diverses.
• Pour permefre l’iden=fica=on des par=cules produites lors de collisions, tout le détecteur doit être soumis à un champ magné=que. Une par=cule se déplace généralement en ligne droite, mais un champ magné=que courbe la trajectoire des par=cules chargées. À par=r de la courbure de la trajectoire, les physiciens peuvent calculer l’impulsion p de la par=cule. Les par=cules à impulsion élevée se déplacent quasiment en ligne droite, alors que celles à impulsion plus faible décrivent des spirales.
• Les détecteurs de traces, révèlent la trajectoire des par=cules chargées électriquement, à travers les traces qu’elles laissent. Pour obtenir des traces, on amène les par=cules à traverser une substance pour visualiser leur interac=on avec les atomes du milieu en ques=on. La plupart des détecteurs de traces modernes ne rendent pas les traces des par=cules directement visibles. Ils produisent de faibles signaux électriques enregistrés comme des données informa=ques. La configura=on des traces décelées par le détecteur, leur direc=on et leur quan=té de mouvement p, est ensuite recons=tuée par ordinateur.
Détec=on des par=cules • La « chambre à muons » est un détecteur de trace u=lisée pour détecter les muons. Les muons
n’interagissent que très peu avec la ma=ère et peuvent se déplacer sur de longues distances, même à travers plusieurs mètres de matériau dense. Les chambres à muons cons=tuent en général la couche la plus externe.
• Un calorimètre mesure l’énergie perdue par la ou les par=cules qui le traversent. Il est généralement conçu pour arrêter totalement ou « absorber » la plupart des par=cules résultant d'un évènement de collision, les forçant à déposer toute leur énergie à l’intérieur du détecteur. En général, les calorimètres sont cons=tués de couches d'un matériau de haute densité « passif » ou « absorbant » (du plomb par exemple) intercalées avec des couches d'un milieu
« ac=f » tel que du verre au plomb solide ou de l'argon liquide. Les calorimètres électromagné=ques mesurent l'énergie des par=cules légères -‐ électrons et photons -‐ qui interagissent avec les par=cules chargées à l'intérieur de la ma=ère . Les calorimètres hadroniques échan=llonnent l'énergie des hadrons (par=cules contenant des quarks, telles que des protons et des neutrons) qui interagissent avec les noyaux des atomes . Les calorimètres arrêtent la plupart des par=cules connues, à l'excep=on des muons et des neutrinos.
Gerbes e.m. et hadroniques et calorimètres
Hadron: π, p, etc
Calorimètre à échan=llon
Détec=on des par=cules Coupe transverse du détecteur. Le champ magné=que est perpendiculaire au plan.
Détec=on des par=cules
CMS
ATLAS
Quoi choisir ? • Dans les anciennes chambres à bulles on recourait à des appareils photo
synchronisés avec le passage des par=cules. Le taux de prise de données était d’environ un cliché par seconde et l’analyse d’un cliché pouvait prendre plusieurs heures.
• Aujourd’hui 40 millions de collisions sont observées chaque seconde! Chaque collision occupe quelques mégaoctets. En pra=que, il n’est possible d’enregistrer que ≈400 collisions par seconde. Quoi choisir?
Système de déclanchement: trigger. On classe en temps réel les collisions en catégories, avec un facteur de priorité. Les configura=ons les plus rares seront enregistrées toujours. Les plus fréquentes auront un facteur de réduc=on.
Le passage de l’informa=on brute d’un détecteur aux paramètres des par=cules et à l’analyse physique a demandé le développement d’un système très performant d’ordinateurs : le GRID (la GRILLE) mets en rela=on plusieurs centres de calcul répar=s dans le monde en=er.
Méga, Giga, téra, péta… • L’unité de base du stockage des données est l’octet, suite de 8 bits (0 ou 1).
• Un mégaoctet (106 octets), c’est la taille d’une photo, d’une chanson mp3 ou d’un évènement d’une expérience LHC
• Un DVD a une capacité de l’ordre du gigaoctet (109)
• Les ordinateurs grand public haut de gamme ont un disque dur d’une capacité d’un téraoctet (1012)
• Avec le pétaoctet (1015) commence le domaine des grand centres de calcul.
• La grille mondiale de calcul pur le LHC (WLCG)est de 0,3 exaoctet (1018) Google et Facebook le dépassent surement.
•
The Worldwide LHC Compu=ng Grid (WLCG) est un collabora=on de plus de 170 centres de calcul dans 36 pays, reliés dans un système de réseaux na=onaux et interna=onaux.
On iden=fie les par=cules • Electron: trace dans les chambres intérieures correspondant à un signal dans le
calorimètre électromagné=que
• Gamma : signal dans le calorimètre électromagné=que sans trace correspondante (le gamma n’est pas chargé !)
• Muon : trace qui traverse tout le détecteur avec un faible signal dans les calorimètres
• Quark ou gluon : jet de hadrons. Les q et g sont confinés, lorsque ils se séparent la force entre eux produit encore des quarks-‐an=quarks et des gluons qui forment des hadrons. Ces hadrons prennent la forme d’un jet qui garde la direc=on et l’énergie du q ou g ini=al.
Un évènement de CMS avec 10 jets
Complexité des évènements
Plusieurs collisions dans la fenêtre du déclanchement
Une grande mul=plicité de par=cules
En vert les traces des électrons reconstruites dans les chambres à traces et leur énergie dans le calorimètre e.m. En rouge les traces des μ qui rejoignent les chambres à μ externes.
Candidat H 2e2μ avec mass(4 leptons) =123.9 GeV
CMS collision à 7 TeV: candidat H ZZ 4e
En vert les traces des électrons reconstruites dans les chambres à traces. En rouge les signaux du calorimètre électromagné=que, propor=onnels à l’énergie des e.
Gamma et muons pour iden=fier le Higgs
Évènement gamma-‐gamma En vert le signal des deux gammas dans le calorimètre e.m. En poin=llé les deux gammas sont reliés au point d’interac=on.
Évènement 2 e et 2 μ En rouge la trace des deux μ En vert la trace des deux e
L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3
e+e- e+e- e+e-‐ e+e-‐γ
e+e-‐ 3 jets (quark an=-‐quark gluon)
Au LEP les événements sont bien plus propres ! Puisque les électrons sont des par=cules élémentaires contrairement aux protons !
Le détecteur L3 à LEP
SMD Silicon détecteur à traces TEC détecteur à traces BGO calorimètre électromagné=que HCAL calorimètre hadronique MUON chambres à traces de MAGNET aimant solénoïde
Les mots magiques de l’analyse • Calibra=ons : les signaux des chambres à traces et des calorimètres
doivent être bien calibré et aligné pour donner une trace, une quan=té de mouvement et une énergie correctes. Les détecteurs sont calibrés et testés individuellement lors de leur construc=on et des systèmes de calibra=ons sont inséré dans chaque élément. Les données sont aussi mises à contribu=on: le Z e+e- ou Z μ+μ- , recherché hier, sert pour calibrer les détecteurs aujourd’hui.
• Monte Carlo: tous le processus physiques connus et tous les éléments du détecteurs sont simulés par des programmes. Plusieurs millions d’évènements sont ainsi générés, avec des nombres aléatoires, et les distribu=ons des quan=té physiques sont comparés au données. C’est seulement ainsi que nous pouvons mefre en évidence des faits nouveaux.
• Sta=s=ques : ce n’est pas un seul événement qui peut prouver quelque chose. Chaque fois que une anomalie est observée dans une distribu=on d’événements, il faut évaluer la probabilité que l’on se trouve devant un fait nouveau.
Analyse: signal et bruit de fond
Le canal Hγγ a un grand bruit de fond. Il est contrôlé par l’analyse des donnés. Après soustrac=on du bruit de fond, on évalue la significa=on sta=s=que du signal.
Le canal H 4leptons (e ou μ ) est plus propre. On peut évaluer le signal et les bruits de fond par Monte Carlo.
CMS : Plus de 3000 physiciens, ingénieurs et étudiants
Le record d’énergie est toujours dans le cosmos
Schéma présentant les différents éléments cons=tu=fs de l’Observatoire Pierre Auger dans la pampa en Argen=ne. Il est cons=tué de 1 600 détecteurs répar=s sur 3000 km2 . Il s’agit de cuves de 12 m³ remplies d’eau très pure. Les par=cules qui les traversent y émefent de la lumière Cherenkov captée par des photomul=plicateurs. A sa périphérie il y a 24 télescopes à fluorescence.
Flux de rayons cosmique
s
On peut observer de rayons cosmiques de 1020 eV, d’où viennent-‐ils ? Les rayons cosmiques sont très rares dans le domaine des plus hautes énergies.
Bibliographie
Campanelli Mario , Dans le grand collisionneur du CERN, Le savoir suisse, Presses polytechniques et universitaires romandes (2014) Ce pe=t livre a un bon glossaire!
Dossier pour la Science N°85 Oct-‐Dec 2014 Le CERN fête ses 60 ans
Le site du CERN est plein d’informa=ons: WWW.cern.ch