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POURQUOI LE CERN?
C. Vander Velde
ULB -19 avril 2002
Contenu (suite):
Après-midi:
• Résumé du cours du matin.
• Les outils de la physique des particules:– Pourquoi de hautes énergies?
– Comment les obtenir?
– Les accélérateurs.
– Comment détecter des particules?
– Quelques types de détecteurs.
• Déroulement d’une expérience.
• Conclusions
Le CERN
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Résumé
Au CERN on étudie principalement les constituants les plus ténus de la
matière et leurs interactions
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Résumé
Les constituants élémentaires de la matière:
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Résumé
Les constituants élémentaires de la matière:
+ leurs antiparticules
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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 atome
force faible ~10-5 Z0, W+, W- b
gravitation ~10-38 graviton?? objets massifs
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Résumé
Le modèle standard (SM):
• 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
Théorie électrofaible+
QCD+
modèle des quarks
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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
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Les outils de la physique des particules
Pourquoi de hautes énergies?
Pour étudier un objet, on le bombarde avec des particules ou avec des ondes électromagnétiques:
Dans ce cas le pouvoir de résolution est limité par le phénomène de diffraction:
Ondevisible
Franges dediffraction
Optiqueparfaite
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Les outils de la physique des particules
Pourquoi de hautes énergies?
Critère de Rayleigh:
D: ouverture = longueur d ’onde
résolution spatiale 1,22 λ/D
λ r
lumière visible : 0.5 mgrain photo au microscope optique
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Les outils de la physique des particules
Pourquoi de hautes énergies?
Microscope électronique:
structurecristalline
moléculesde colloïde
Mécanique quantique : petites dimensions
équivalence onde - corpuscule E = hc /
constante de Planck longueur d’onde
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Les outils de la physique des particules
Pourquoi de hautes énergies?
Pour sonder la structure des nucléons:
< 10-16 m
Des énergies beaucoup plus hautes encore!
de quelques Gev (1960) à plusieurs Tev ( 21ème siècle)
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Les outils de la physique des particules
Comment les obtenir?Dans le rayonnement cosmique:
, p et quelques noyaux qui proviennent du soleil, des étoiles et des galaxies.
Atmosphère: gerbe!
Au sol: (75%) e, (25%)
Avec des accélérateurs de particules.
p + nucléon ....π,K, ....
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Les outils de la physique des 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:
La source:
HT
+
+
-
H2
Vers lescavités
accélératrices
Hydrogènegazeux
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Les outils de la physique des particules
Les accélérateurs:Les composants de base:
Les cavités accélératrices:
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Les outils de la physique des particules
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)
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Les outils de la physique des particules
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 des particules secondaires. Celles-ci sont ensuite sélectionnées et guidées à leur tour.
Exemples:
• faisceau de +
• faisceau de neutrinos
• faisceau de positons
• faisceau d’antiprotons
Le tunnel:
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Les outils de la physique des particules
Les accélérateurs:Linéaires:
Avantage: pas d’énergie perdue par
rayonnement synchrotron (e)
Désavantage: longueur et coût énergie!
Circulaires:
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Les outils de la physique des particules
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.
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Les outils de la physique des particules
Les accélérateurs:Le complexe d’accélérateurs du CERN
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Les outils de la physique des particules
Les accélérateurs
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Les outils de la physique des particules
Comment détecter les particules?
Particules neutresInteractions secondaires:
Energie manquante
-n+p p+p+π
+ -+A e +e +A
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Les outils de la physique des particules
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.
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Les outils de la physique des particules
Comment détecter les particules?Chaque couche de détecteur a un rôle particulier à jouer:
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Les outils de la physique des particules
Comment détecter les particules?
Diamètre: 14,6 m Longueur: 21,6 m
Poids: 14.500 T
CMS
p
p
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Les outils de la physique des particules
Comment détecter les particules?
18 interactions pp enregistrées simultanémentavec une interaction intéressante dans laquelleun Higgs se désintégrant en 4 énergétiques
sont émis
Où sont les 4 muons?
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Les outils de la physique des particules
Comment détecter les particules?
Après suppression des tracesavec p < 2 Gev
On distingue les 4 muons en jaune
Possible si la taille des cellulesde détection est de ~1 mm2,
ce qui conduit à 107 signaux!
0 + - + -H μ μ μ μ
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:Les chambres à muons:
Ce sont souvent des détecteurs à gaz, par exemple des chambres à dérive:
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.
-+
++ -
-AC
C: cathodeA: anode
particule chargée
E
E: champ électrique
d
Section au travers d’un long tube
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Les outils de la physique des particules
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 particulechargée, les atomes du
scintillateur sont excités et se désexcitent en
émettant de la lumièrepour laquelle il est
transparent
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:
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.
Principe des scintillateurs:
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:Les détecteurs de traces:
Pour reconstruire la trajectoire des particules chargées, il faut mesurer les coordonnées de leur point d’impact avec plusieurs couches de détecteurs successives:
B
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:Les détecteurs de traces:
La mesure du rayon de courbure dans le plan transverse, perpendiculaire au champ magnétique , permet d’estimer la quantité de mouvement dans ce plan, pt :
B
tp
B
tp Gev/c = 0,3×B T ×ρ m
Btp
p
tp = p sin(θ)
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:Les détecteurs de traces:
Actuellement, les détecteurs qui permettent de mesurer les points d’impact des particules chargées avec les couches des détecteur de traces sont souvent des détecteurs à semiconducteur:
résolution spatiale: jusqu’à ~10 m!
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:principe des détecteurs à semiconducteur:
• semiconducteurs: faible énergie entre la bande de valence et la bande de conduction (~1eV).
Exemple: le silicium
électron libre
trou
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:principe des détecteurs à semiconducteur:
• semiconducteurs dopés:type n: quelques impuretés de type « donneur »:
type p: quelques impuretés de type « accepteur »:
impureté de valence 5
électron en excès
trou en excès
impureté de valence 3
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Les outils de la physique des particules
Quelques types de détecteurs:principe des détecteurs à semiconducteur:
• jonction n-p:
• détecteur: jonction n-p polarisée:
+
n
-
p
n
+
p
-
zone de déplétion
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Déroulement d’une expérience
Collaborations mondiales!
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Déroulement d’une expérience
Collaborations mondiales!
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Déroulement d’une expérience
Très longue durée:• Conception de l’expérience, formation des
collaborations et obtention des crédits: de 2 à 5 ans.
• Mise au point des détecteurs: de 2 à 6 ans
• Construction des
détecteurs:
de 2 à 6 ans
• Prise de données et analyse: ~10 ans
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Déroulement d’une expérience
Très longue durée:
Exemple:
A Bruxelles nous travaillons à la conception du détecteur de traces de CMS depuis 1993, nous commençons la construction actuellement et la
prise de données débutera en 2007.
L’expérience est prévue pour 10 ans.
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Déroulement d’une expérience
Organisation:
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Déroulement d’une expérience
Organisation:
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Déroulement d’une expérience
Organisation:
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Conclusions