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Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron
Pascal Vincent
Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies Université Pierre et Marie Curie
Introduction
Les systèmes expérimentaux Les interactions des particules chargées
Les interactions des particules neutres Les détecteurs de particules
Visite d'une expérience
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La méthode
L’expérimentation : Le principe de la méthode
La mesure Les conditions initiales
Le détecteur Le modèle
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Des installations artificielles conçues par des laboratoires de recherche
ou naturellement produits dans l’Univers par des événements cataclysmiques.
La méthode
Oléron Pascal Vincent 3
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θ faisceau
cible
collimateur
détecteur
φ
dn(θ,φ)
Le principe de la méthode expérimentale
On dirige un faisceau de particules déterminées sur une cible. On détecte (dans toutes les directions) celles qui ont interagit avec un élément de la cible c’est à dire celles qui ont été défléchies. On reconstruit la distribution angulaire des particules diffusées :
dn(θ,φ)
Oléron Pascal Vincent 4
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Le principe de la méthode expérimentale
On reconstruit la distribution angulaire des particules diffusées : ),( ϕθdn
Oléron Pascal Vincent 5
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Le principe de la méthode expérimentale
( , )?dn θ φ
Oléron Pascal Vincent 6
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dn(θ,φ) ?
La distribution angulaire du nombre de particules diffusées dépend : 1. Du nombre de particules initiales envoyées (flux incident de la source) :
2. De la taille et de l’éloignement du détecteur qui les reçoit :
3. Du phénomène qui s’est produit entre la particule et le ou les constituants de la cible :
),(),( ϕθσϕθ ninteractioL' =∝dn
idn φϕθ ∝),(
Oléron
( , )( , )1( , )
dn dSdSdn dΩrdn
r
θ φθ φ
θ φ
∝ = ⇒ ∝ =
∝ =
Surface1
distance
Pascal Vincent 7
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dn(θ,φ) ?
La distribution angulaire du nombre de particules diffusées :
( , ) ( , )dn θ φ σ θ φ∝
idn φϕθ ∝),(
Oléron
( , )dn dΩθ φ ∝
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
Pascal Vincent 8
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Théorie de la diffusion
La distribution angulaire des particules diffusées : La section efficace différentielle est reliée à l’amplitude théorique du phénomène de diffusion qui contient tous les détails de l’interprétation des processus entre les constituants de l’interaction.
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
La mesure
La théorie ?
Le détecteur
La source (l’accélérateur)
Oléron Pascal Vincent 9
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Théorie du partage des taches
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
Physicien expérimentateur + ingénieurs
Le théoricien
Ingénieurs (électronique, mécanique, informatique) + Physicien
Ingénieurs (électronique, mécanique, informatique) + Physicien
Oléron
Administration
Pascal Vincent 10
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La méthode
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
Oléron
( , )dn θ φ
iϕ
( , )σ θ φ
dΩ
Pascal Vincent 11
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LA MESURE
Oléron
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
Pascal Vincent 12
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Les expériences sur cibles fixes
Pour reconstruire le phénomène observé il faut extraire des informations des particules produites.
Oléron
),( ϕθdn
Pascal Vincent 13
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Son état dans « l’espace des phases » : Impulsion :
Energie :
Position :
Sa charge et autres nombres quantiques (spin, saveur, isospin ...).
Sa masse (identification).
Qu’est ce qui caractérise une particule ?
)( 2212 mVEmcE == γ
2211
cV−=γ
tr ,
)( VmpVmp
== γ
Oléron
,...),,,,( mPEdn
ϕθPascal Vincent 14
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En supposant l’état initial connu, il reste a reconstruire l’ensemble des états finaux : On utilise les lois de conservation ainsi que les paramètres de l’état initial pour déterminer les états intermédiaires et ainsi reconstruire l’événement.
Les collisions
',' 22 PE
22 , PE
11, PE
',' 11 PE
',' 33 PE
'1m
1m2m
'2m
'3mOléron Pascal Vincent 15
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Il faut reconstruire la trajectoire de la particule dans un champ magnétique : Newton : Maxwell : La courbure de la trajectoire donne une mesure de l’impulsion
F
B
V
q
Déterminer l’impulsion (P)
qBP
qBmVR ==⇒
BVqF
iR
VmamF
∧=
==2
Oléron Pascal Vincent 16
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Sans champ magnétique
Déterminer l’impulsion (P)
Oléron Pascal Vincent 17
PRqB
= = ∞
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Avec un champ magnétique c’est quand même plus claire ...
Déterminer l’impulsion (P)
F
B
V
q
Oléron Pascal Vincent 18
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qBP
qBmvR ==
Déterminer la charge (q)
Les sens de la courbure détermine le signe et de charge
F
B
V
|q|
-|q|
Oléron Pascal Vincent 19
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qBP
qBmvR ==
Déterminer la charge (q)
Les sens de la courbure détermine le signe et de charge
F
B
V
|q|
-|q|
Oléron Pascal Vincent 20
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Mesurer l’énergie (E)
Il faut stopper la particule dans de la matière pour qu’elle dépose toute son énergie.
Oléron Pascal Vincent 21
![Page 22: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/22.jpg)
mvPmvvPmvEmcvEmPEmPE
⇒=⇒=⇒+=
),(:)(),(:)(),(:
2
222
γγ
L’identification (m)
Quelques outils :
Oléron Pascal Vincent 22
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L’identification (m)
L’interaction dépendra du type de la particule, ce qui permet également de l’identifier.
Oléron Pascal Vincent 23
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Ou en étions nous …
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
La mesure
La théorie
Le détecteur
La source (l’accélérateur)
Oléron Pascal Vincent 24
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L’ÉTAT INITIAL
Oléron
( , ) ( , ) idn dθ φ σ θ φ ϕ⋅ ⋅= Ω
Pascal Vincent 25
La source (l’accélérateur)
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L’état initial
Le nombre de particules initiales par unité de surface et de temps.
L’énergie Le type de particules Leur état de polarisation.
Sources :
Radioactivité Accélérateurs artificiels Accélérateurs naturels
iφ
Oléron Pascal Vincent 26
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Les sources de particules
![Page 28: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/28.jpg)
LA RADIOACTIVITÉ Les sources naturelles
Oléron Pascal Vincent 28
![Page 29: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/29.jpg)
eν
Radioactivité
La radioactivité alpha
L’émission beta
eepn ν++→ −
+
eνeenp ν++→ +
Oléron Pascal Vincent 29
![Page 30: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/30.jpg)
Radioactivité
capture électronique
émission gamma
émission spontanée de neutrons
émission spontanée de neutrons
La fission
eν
enep ν+→+ −
Oléron Pascal Vincent 30
![Page 31: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/31.jpg)
Radioactivité Dans la nature, il y a à peu près 270 nucléides stables et 70 nucléides instables.
Nombre de protons
Nombre de neutrons
XNZAZ
+=
Oléron Pascal Vincent 31
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PRINCIPES Les accélérateurs
Oléron Pascal Vincent 32
![Page 33: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/33.jpg)
Emission provoquée
L’activation de sources par des neutrons
Sources de protons (d’ions) :
n A B C
+Ion−e
0<VOléron Pascal Vincent 33
![Page 34: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/34.jpg)
Van de Graaff (1929)
Oléron Pascal Vincent 34
![Page 35: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/35.jpg)
Van de Graaff (1929)
Oléron Pascal Vincent 35
![Page 36: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/36.jpg)
cyclotron (1929)
constante=
=m
qBfπ2
Source radioactive
Oléron Pascal Vincent 36
![Page 37: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/37.jpg)
Cockcroft (1930)
Oléron Pascal Vincent 37
![Page 38: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/38.jpg)
Accélérer des particules pour qu’elles libèrent leur énergie : dans des collisionneurs
sur des cibles fixes
1 2
1 2
2
2
cm
cm
E E E
E E m
=
=
Les conditions initiales
Oléron Pascal Vincent 38
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Pour un faisceau de particules de 1 TeV : dans des collisionneurs
sur des cibles fixes d’hydrogène :
Les conditions initiales
Oléron
2 000
43
cm
cm
E GeV
E GeV
=
=
Pascal Vincent 39
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MACHINES A ELECTRONS Les accélérateurs
Oléron Pascal Vincent 40
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LEP @CERN
≤ 2000: LEP, @CERN Genève circulaire, e+e- , 27 Km de long, ECM < 206 GeV
Oléron Pascal Vincent 41
![Page 42: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/42.jpg)
Collisionneurs e+e-
Toute l’énergie disponible dans le centre de masse est convertie dans la réaction : Environnement expérimental “propre” Etat initial bien défini, énergie au centre de masse réglable
−+= eecm EEE 2
Oléron Pascal Vincent 42
![Page 43: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/43.jpg)
Exemple
Un événement au LEP : −+−+ +→→+ µµ0Zee
Oléron Pascal Vincent 43
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Collisionneurs e+e-
Accélérateurs circulaires de rayon R: limités par la radiation synchrotron:
c.a.d environ 4 GeV par tour au LEP200
RmE
dTdE
4
4
∝=tour Parenergied' Perte
•e-
γ B
⊗
Oléron Pascal Vincent 44
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SLC @SLAC
SLC, @SLAC, Stanford, USA linéaire, e+e- , 3.2 Km de long, ECM = 100 GeV
Oléron Pascal Vincent 45
![Page 46: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/46.jpg)
PEP II@SLAC
PEP II : , @SLAC, Stanford, USA linéaire, e+e- , 3.2 Km de long, collisions asymétriques ECM = 10,56 GeV
Oléron Pascal Vincent 46
![Page 47: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/47.jpg)
∝ E2
∝ E
Collisionneurs e+e- vs accélérateurs linéaires
Accélérateurs circulaires de rayon R: pas de problème pour les collisionneurs hadroniques car (me/mp)4~10-13 collisionneurs e+e- de très haute énergie doivent être linéaires!
RmE
dTdE
4
4
∝=tour Parenergied' Perte
Oléron Pascal Vincent 47
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ILC @ quelque part sur terre
SLC ILC :≥ 201x: linéaire, e+e-, ECM = 0.5 – 1.5 TeV
Oléron Pascal Vincent 48
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ILC @ quelque part sur terre
ILC :≥ 201x: linéaire, e+e-, ECM = 500 GeV Oléron Pascal Vincent 49
![Page 50: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/50.jpg)
DES CIBLES FIXES EN MOUVEMENT Machines Electrons-Protons
Oléron Pascal Vincent 50
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HERA @DESY
≥ 2000: Hera run II, 6.3 Km de long, @Desy Hambourg circulaire, e+/e- de 27 GeV vs protons de 920 GeV
Oléron Pascal Vincent 51
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Collisionneurs e-p
Le faisceau d’électrons sonde la structure du proton: diffusion profondément inélastique : ep -> eX
Relation entre la section efficace diffusion et la section efficace du sous-processus partonique (e-q) qh(x)dx: est la probabilité de trouver un parton de type q dans le hadron h emportant une fraction de l’impulsion du hadron comprise entre x et x+dx
Oléron Pascal Vincent 52
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MACHINES A PROTONS Les accélérateurs
Oléron Pascal Vincent 53
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TeVatron @Fermilab
≥ 2000: Tevatron run II, @Fermilab Chicago circulaire, p/anti-p, 6.3 Km de long, ECM = 1 960 GeV
Main Injector & Recycler
Tevatron
Chicago ↓
p source
Booster
p
p
p p
1.96 TeV
CDF DØ
Oléron Pascal Vincent 54
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LHC @CERN
≥ 2007: LHC, @CERN Genève circulaire, pp, 27 Km de long, ECM = 14 TeV Oléron Pascal Vincent 55
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Tout ne se fait pas en un jour LHC: 7 TeV; 0,999999991 c
SPS: 450 GeV; 0,999998 c
LINAC2 50 MeV 0,314 c
PS: 25 GeV; 0,9993 c
PS booster: 2,4 GeV; 0,916 c
Oléron Pascal Vincent 56
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LHC @CERN
Un endroit presque aussi froid que l’Univers…
… avec une température en exploitation de -268,5°C 4,5° seulement au dessus du zéro absolu!
Utilisant de l’hélium superfluide à 1,9 K
Slide from Frédéric DERUE
Oléron Pascal Vincent 57
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LHC @CERN
L'espace le plus vide du système solaire… Les protons circulent dans un vide comparable à l’espace interplanétaire
10-13 atmosphère !
Oléron Pascal Vincent 58
Slide from Frédéric DERUE
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LHC @CERN
Un des points les plus chauds de la galaxie…
Deux protons en collision génèrent dans un espace minuscule des températures plus d’un milliard de fois celles au centre du Soleil.
Collision dans l’expérience CMS (simulation) Collision dans l’expérience ALICE (simulation)
Oléron Pascal Vincent 59
Slide from Frédéric DERUE
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Encore des chiffres
Le faisceau circule 10 h dans le LHC et parcourt 10 milliards de km, soit un aller-retour vers Neptune ;
Les protons circulent à 99,9999991% de la vitesse de la lumière, soit 11 245 tours (de
27 km) à la seconde …. Ils sont obtenus à partir d’une cible en hydrogène. Environ 2 nano-grammes d’hydrogène est accéléré chaque jour Il faudrait un million d’années au LHC pour accélérer un gramme ;
Les collisions ont lieu toutes les 25 ns (10-9 s), soit 40 millions de collisions faisceau-
faisceau par seconde soit environ 600 millions de collisions de protons par seconde ;
La longueur totale des câbles supraconducteurs nécessaire est d'environ 7.600
kilomètres. Chaque câble étant constitué de filaments, la longueur totale des filaments est de 10 fois la distance de la Terre au Soleil ;
Oléron Pascal Vincent 60
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LHC @CERN
Le LHC va stocker un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2.808 bunches x 1,15 1011 protons d’une énergie de 7 TeV chacun = 2808 x 1,15 x 1011 x 1012 x 7 x 1,602 x 10-19 joules = 362 MJ par faisceau. Cela peut être comparé à : • En énergie cinétique :
– 1 petit navire de croisière de 10.000 tonnes se déplaçant à 30 km/h ; – 450 véhicules de 2 tonnes se déplaçant à 100 km/h. – Un TGV (400 tonnes) lancé à 150 km/h
• En énergie chimique : – L’explosion de 80 kilos de TNT ;
• En énergie thermique : – Ce qu’il faut pour fondre 500 kilos de cuivre ; – Ce qu’il faut pour porter 1 mètre cube d'eau à 85 ° C – Ce qu’il faut pour préparer 1 tonne de thé.
Oléron Pascal Vincent 61
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OÙ EST DONC LE PROBLÈME ? Collisionneurs hadroniques
Oléron Pascal Vincent 62
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Collisions hadroniques ... cinématique
L’énergie dans le centre de masse des deux particules n’est à priori pas déterminée :
Oléron Pascal Vincent 63
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Collisions hadroniques ... cinématique
L’énergie dans le centre de masse des deux particules n’est à priori pas déterminée :
Oléron Pascal Vincent 64
(( ) ), ,d dn σ θ φθ φ = ⋅ ⋅ Ω
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Collisionneurs pp Les collisions proton-proton : contiennent des processus durs de partons
quarks, anti-quarks, et gluons.
(énergie)2 disponible pour le sous-processus partonique est ŝ = x1x2s
au LHC, s½ = 14 TeV et ŝ½ pourra aller jusqu’a ~3 TeV
Une fraction importante de l’énergie est emportée par les restes des protons
Oléron Pascal Vincent 65
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Collisionneurs pp
La projection dans le plan transverse équilibre les relations
Oléron Pascal Vincent 66
𝜮𝒑⊥ = 𝟎
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Collisionneurs pp
Oléron Pascal Vincent 67
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Et ça se complique, l’état final ... des jets ...
Pour des leptons chez les quarks
Pascal Vincent Oléron 68
q
q
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... jets ...
Oléron Pascal Vincent 69
Modèle des cordes Production de jets
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... jets ...
Oléron Pascal Vincent 70
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… et on est pas seuls …
Simulation d’un événement : 1 Higgs en 4 muons pour 1013 événements 1 000 traces par événement
−+−+→→→ µµµµ00ZZHgg
Oléron Pascal Vincent 71
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... jets ...
On définit un cône autour des particules de haute impulsion On ignore les traces de faible impulsion On somme les impulsions des traces pour définir l’impulsion du jet.
Oléron Pascal Vincent 72
![Page 73: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/73.jpg)
Collisions hadroniques ... cinématique
Variables cinématiques sont globales aux jets de particules : Angle azimutal (φ) Angle polaire (θ) Energie (E) Quantité de mouvement (P) Impulsion transverse (PT) Impulsion longitudinale (PL)
Oléron Pascal Vincent 73
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Collisions hadroniques ... QGP
Etat initial Etat final
PLASMA
Hadronisation
Oléron Pascal Vincent 74
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Collisions hadroniques ... QGP
Oléron Pascal Vincent 75
![Page 76: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/76.jpg)
Accélérateurs ... survol
Evolution de l’énergie et de la conception des machines
saturation des courbes
à cause du cout par GeV
=> besoin de concepts nouveaux
Oléron Pascal Vincent 76
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Rappel Le principe de la méthode expérimentale
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
La mesure
La théorie
Le détecteur
La source (l’accélérateur)
Oléron Pascal Vincent 77
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Rappel : Machines à électrons
Les machines leptoniques (LEP, SLC, ILC, ...):
Environnement expérimental “propre” Toute l’énergie est utilisée dans le processus => cette contrainte est utilisée
dans l’analyse des données. Etat initial bien défini, polarisation des faisceau possible, énergie au centre de masse réglable.
=> physique de précision
espace de découverte limité par l’énergie disponible dans le centre de masse
Oléron Pascal Vincent 78
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Rappel : Machines à protons
Les machines hadroniques (TEVATRON, LHC, ...) :
Plus facile d’obtenir de très hautes énergies Au point de vue cinématique, on ne peut en général pas caractériser
séparément toutes les particules émergentes. La nature composite des protons donne lieu a un événement sous-jacent Particules dans l’état initial sont sensibles à l’interaction forte:
énormes bruits de fond QCD rapport signal/bruit en général plus mauvais
=> en général espace de découverte
mais environnement expérimental plus difficile
Oléron Pascal Vincent 79
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Accélérateurs hadroniques vs leptonique
saturation des courbes à cause du cout par GeV
=> besoin de concepts
nouveaux
Oléron Pascal Vincent 80
![Page 81: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/81.jpg)
Il faudrait quelque chose de propre comme
l’électron plus lourd comme le proton
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MACHINES A MUONS Les accélérateurs
Oléron Pascal Vincent 82
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emm ×200~µ
seconde000500
1~µτ
Les collisionneurs à muons
Les muons sont des « électrons lourds ».
Mais ils meurent très vite …
Le temps dépend du
référentiel où on observe
Oléron Pascal Vincent 83
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Le temps (la durée de vie d'une particule) se dilate (augmente) avec l’énergie : et les distances se contractent :
0tt ∆=∆ γ
γ0LL =
Les collisionneurs à muons
0L
mE
=γ E
Oléron Pascal Vincent 84
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4 60 10 2,2 10 22t t msγ −∆ = ∆ = × ⋅ <
410~1
105~mE
TeVEMeVm
==
γµ
8 4 63 10 10 2,2 10 6 600x c t kmγ −∆ < ∆ = ⋅ × × ⋅ =
Les collisionneurs à muons
Distance parcourue et durée de l’expérience :
Oléron Pascal Vincent 85
![Page 86: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/86.jpg)
Hydrogène ionisé (proton) puis accéléré : Collision entre protons de hautes énergies (10 GeV) et une cible fixe. Production de kaons et/ou pions chargés :
+→
+→+±
±
π
KNoyaup
Source de muons
+H−e
0<V
Oléron Pascal Vincent 86
![Page 87: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/87.jpg)
Désintégration des kaons et pions chargés :
Source de muons
)%1405463(4,121024,1 8
..Knss±+→
=⋅=±±
−
µνµ
τ
)%0000409877099(26106,2 8
..νμπnss
μ ±+→
=⋅=±±
−τ
Oléron Pascal Vincent 87
![Page 88: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/88.jpg)
Les collisionneurs à muons Source intense de protons cible fixe (production et focalisation des pions) ligne de désintégration refroidissement stochastique (réduction des dimensions transversales du faisceau et de sa distribution en énergie) Physique sur cibles fixes recyclage Faisceau de neutrinos Collisionneur a muons
Oléron Pascal Vincent 88
![Page 89: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/89.jpg)
Pour aller encore plus haut en énergie
![Page 90: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/90.jpg)
Ces machines peuvent être des installations artificielles conçues par des laboratoires de recherche
ou naturellement produits dans l’Univers par des événements cataclysmiques.
La méthode
Oléron Pascal Vincent 90
![Page 91: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/91.jpg)
MACHINES NATURELLES Les accélérateurs
Oléron Pascal Vincent 91
![Page 92: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/92.jpg)
Le spectre des rayons cosmiques
LHC
Oléron Pascal Vincent 92
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Les accélérateurs cosmiques
Oléron Pascal Vincent 93
![Page 94: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/94.jpg)
Les accélérateurs cosmiques
Oléron Pascal Vincent 94
![Page 95: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/95.jpg)
Les accélérateurs cosmiques
Oléron Pascal Vincent 95
Noyaux actif de galaxies
![Page 96: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/96.jpg)
Les accélérateurs cosmiques
Oléron Pascal Vincent 96
Restes de supernova
![Page 97: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/97.jpg)
Micro quasar
Oléron Pascal Vincent 97
![Page 98: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/98.jpg)
Les accélérateurs naturels
Les années 30 : Les triomphes de l’astroparticule de nouveaux faisceaux de particules.
Oléron Pascal Vincent 98
![Page 99: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/99.jpg)
Palmarès
1933 : découverte de l'antimatière (e+) dans l'interaction entre rayonnement cosmique avec l'atmosphère (Carl David Anderson).
1937 : découverte du muon dans les particules issues du rayonnement
cosmique (C. D. Anderson). 1947 : détection d’un pion dans des émulsions exposées à des rayons
cosmiques (C. Powell, C. Lattes et G. Occhialini). 1949 : découverte des premières particules étranges (K±) dans une chambre
à brouillard (G. D. Rochester & C. C. Butler). 1951 : découverte du kaon neutre (K0), baptisée « V-particule » à cause de sa
désintégration en deux pions chargés qui permirent de reconstruire une particule d’une masse égale à la moitié de la masse du proton.
Oléron Pascal Vincent 99
![Page 100: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/100.jpg)
Auger : des protons
Oléron Pascal Vincent 100
![Page 101: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/101.jpg)
HESS : des photons
Oléron Pascal Vincent 101
![Page 102: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/102.jpg)
EUSO (Extreme Universe Space Observatory)
Oléron Pascal Vincent 102
![Page 103: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/103.jpg)
Rappel
) (( ), , i ddn σ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
La mesure
La théorie
Le détecteur
La source (l’accélérateur)
Oléron Pascal Vincent 103
![Page 104: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/104.jpg)
LA THÉORIE
Oléron
) (( ), , idn dσ θ φθ φ ϕ= ⋅ ⋅ Ω
Pascal Vincent 104
![Page 105: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/105.jpg)
Qu’est ce qui caractérise une particule d’une autre ?
Sa masse
Sa charge
spin
saveur
couleur
isospin
...
Nombre e- νe μ- νμ τ- ντ d u s c b t
Q (charge electrique)
-1 0 -1 0 -1 0 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3
L (leptonique) +1 +1 +1 +1 +1 +1
Le +1 +1
Lμ +1 +1
Lτ +1 +1
B (baryonique) +1/3 +1/3 +1/3 +1/3 +1/3 +1/3
S (étrangeté) -1
C (charme) +1
B (beauté) -1
T (vérité) +1
Π (parité) +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
I (isospin) 1/2 1/2
I3 -1/2 1/2
Y (hypercharge) 1/3 1/3 -2/3 4/3 -2/3 4/3
Oléron Pascal Vincent 105
![Page 106: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/106.jpg)
On se base sur les lois connues de la physique ou tout au moins pas encore invalidées pour reconstituer le puzzle : Les lois de conservation : Energie/impulsion ou 4-moment : on connaît : en relativité : Nombres quantiques : Charge, Nombres leptoniques, baryoniques … La parité, le spin … Remarque : si l’une des lois n’est pas conservée c’est soit que l’un des états finaux n’était pas détectable, soit un indice pour une nouvelle physique.
∑∑∑ ∑
=
=
fi
fi
PP
EE
invariant=− 2. EPP
Oléron Pascal Vincent 106
![Page 107: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/107.jpg)
Ca se complique ...
interactions additionnelles (molles) dans chaque croisement de faisceau.
SUSY (sans « pileup ») SUSY (1034cm-2s-1)
Oléron Pascal Vincent 107
![Page 108: Ecole « techniques de base du détecteur » Oléron](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062523/62b442b1eff24f236d5ef165/html5/thumbnails/108.jpg)
TOUT CELA EST BIEN COMPLEXE ...
=> nécessité d’outils de simulation au niveau processus physiques qu’au niveau détecteur
Oléron Pascal Vincent 108
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Simulation ... générateurs
Les générateurs permet d’effectuer des études théoriques et expérimentales de physique des particules complexe
Oléron Pascal Vincent 109
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Générateurs ... processus de base
1. Processus de base
2. Fragmentation
Oléron Pascal Vincent 110
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Générateurs ... processus de base
3. Hadronisation
4. Désintégrations
Oléron Pascal Vincent 111
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Simulation ... détecteurs ... un exemple
GEANT : logiciel qui exploite des techniques avancées de développement logiciel et de technologie orientée objet
Il permet de simuler avec précision le passage de particules au travers la matière. Il inclut: description de la géométrie du système description des matériaux utilises la génération des événements primaires (générateur) le suivi des particules au travers des matériaux et des champs
electromagnetiques les processus physiques gouvernant les interactions des particules la réponse des composantes sensibles des détecteurs la génération des données des événements le stockage des événements et des traces la visualisation des détecteurs et des trajectoires des particules
Oléron Pascal Vincent 113
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Simulation ... détecteurs ... un exemple
Oléron Pascal Vincent 114
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Théorie
Simulation Définir les caractéristiques d'un système
expérimental optimal pour déterminer l’ensemble des paramètres. Prédire le
potentiel de découverte de l'expérience proposée
Analyse des données (Simulation) Valider les résultats en modélisant le comportement attendu avec les données obtenues
Expérimentation
Méthode expérimentale
Oléron Pascal Vincent 115
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Théorie
Simulation Analyse des données (Simulation)
Expérimentation
Exemple
Oléron Pascal Vincent 116
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QUE DE CALCUL ... => cela nécessite des outils informatiques
Oléron Pascal Vincent 117
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Quelques chiffres
Les expériences du LHC produiront 15 péta-octets de données par an :
près de 1% du volume total d'informations produit par
l'homme
=> La grille de calcul mondiale
Oléron
Concorde (15 Km)
Ballon (30 Km)
Pile de CD avec 1 an de données du LHC! (~ 20 Km)
Mt. Blanc (4.8 Km)
Slide from Frédéric DERUE
Pascal Vincent 118
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La GRILLE
La grille de calcul mondiale EGEE/WLCG (« World Lhc Computing Group ») ~250 centres de calcul ~50 pays 3 grilles : EGEE, OSG, NorduGrid
Oléron
Centre de calcul du Cern La grille de calcul mondiale
Slide from Frédéric DERUE
Pascal Vincent 119
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Résumé
Un système expérimental en physique des hautes énergies est constitué : Des accélérateurs naturels ou artificiels (cryogénie, technique
du vide ...) pour créer un état initial.
Les outils informatiques pour mettre en œuvre une mesure.
Les lois de la physique (théorie) pour tester la cohérence des mesures.
Il nous manque le détecteur
Oléron Pascal Vincent 121
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Rappel
( , ) ( , ) i ddn θ φ σ θ φ ϕ⋅ ⋅= Ω
La mesure
La théorie
Le détecteur
La source (l’accélérateur)
Oléron Pascal Vincent 122
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LA DETECTION
Oléron
( , ) ( , ) i ddn θ φ σ θ φ ϕ⋅ ⋅= Ω
Pascal Vincent 123
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La méthode Elle nécessite capteur; (qui convertit les caractéristiques de la particule en charge électrique); on l’instrumente avec une électronique rapide de mise en forme des signaux et de déclenchement qui véhicule l’information vers un système d’acquisition performant; le tout maintenu dans une structure mécanique pour créer :
Oléron
Un détecteur « opérationnel »
Le capteur performant
La mécanique résistante
Système informatique très complexe
L’électronique rapide Pascal Vincent 124
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La méthode On saisi les constituants à l’aide du capteur qui convertit l’information en charge électrique :
Exemple :
Oléron Pascal Vincent 125
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Oléron
A suivre ...
Pascal Vincent 126