Les détecteurs du LHC (ATLAS et les autres )

1. Les détecteurs du LHC (ATLAS et les autres) Narei Lorenzo Martinez Laboratoire de l’AccélérateurLinéaire 4 mars 2011

2. Introduction • Il y a 4 détecteursau LHC (Large Hadron Collider) :ATLAS, CMS, LHCbetALICE • ATLAS estuneexpériencegénéralisterassemblant1800 physiciens et ingénieurs de 37 pays différents qui a pour mission de tester le Modèle Standard en découvrantnotamment le boson de Higgs et d’explorer de nouveaux modèlescomme la SuperSymétrie. • Pourquoiont-ilsétéconstruits, quellessontleurcaractéristiques, leursdifférences… ? C’estcequ’onvavoirdans la suite

3. Pourquoiconstruire des détecteurs? • Pour tester notremodèle de la physique des particules (Modèle Standard), ilfaut faire des expériences. • Pour cela, on fait des collisions entre deuxfaisceaux de protons et on regardetoutcequ’ily a dansl’état final afin de comprendrece qui s’est passé et vérifiersicela correspondàla théorie.

4. Pourquoiconstruire des détecteurs? • Mais les particulesdansl’étatfinal sontTRES petites (100 milliards de fois plus petites qu’unefourmiou 1 milliard de fois plus petites qu’une cellule) et pour certainestrèsinstables (duréesde vie trèscourtes) • Comment vat’onles détecter ? Construction de détecteursspécifiquespour observer oureconstituer le passage d’uneparticule.

5. Comment doitêtrenotredétecteur? • On doitpouvoirdétecter et reconnaîtredes centaines de particulesdifférentes • On vautiliserleurspropriétés : • Trajectoires • Charge • Vitesse (ou plutôt impulsion =M×V) • Masse • Energies • Facon d’interagir avec la matière

6. Facon d’interagir avec la matière: qu’estcequecelaveut dire ? • Certaines particules interagissent beaucoup ->peu de matière suffit pour les arrêter (ex :électrons, photons) • D’autres interagissent moins ->il faut plus de matière (ex : protons, neutrons) • Enfin, certaines n’interagissent (presque) pas (muon, neutrino). Il faut ruser pour mieux les connaître !! • DETECTEUR : • Unepartie pour la mesure de la trajectoire. • Uneautrepour la vitesse et la charge • Uneautre pour la mesure de l’énergie. • Matièrepour mieux identifier la particule • Systèmepour les particulesn’interagissant pas oupeu avec la matière

7. Mesure de la Vitesse et de la charge

8. Un aimant pour mesurer la masse, la vitesse et la charge ! • Pour mesurer la charge et la vitesse, on vautiliser un aimant • En effet les particuleschargées, lorsqu’ellessontsoumises a l’action d’un champ magnétique, vérifientl’équationdu mouvement : • Rayon de courbureR=mv/qB B

9. Et dans ATLAS ? Aimanttoroïdal Aimantsolénoïdal L'ensemble du système magnétique pèse 1300 tonnes et est refroidi à -269°C. Ce refroidissement nécessite 40 jours. L'énergie totale stockée dans ces aimants (1600MJ) est équivalente à l'énergie nécessaire pour faire 25 fois le tour de la Terre à vélo !!

10. Et dans ATLAS ? Aimanttorroidal 8 bobinessupraconductrices de 25 m de long sur 5 de large (le plus grand aimant au monde !!) enferméesdans un cryostat. Celacréeun champ magnétiquetoroïdalde 4T perpendiculaire au faisceau de protons.

11. Et dans ATLAS ? Aimantsolenoidal Un solénoïde central de 2 Teslas (40 000 fois le champ magnétique terrestre !!) entoure le détecteur interne. Le champ magnétique produit est parallèle au faisceau

12. Mesure de la trajectoire

13. Pour mesurer la trajectoire, on vautiliser le phénomènede l’ionisation : la particulechargéearrachedans son passage unélectronàun noyau. • Détecteurde traces subdivisésen cellules trèspetites onpeut savoir oùla particuleestpasséeavec unegrandeprécision(mais pas unevraie trace) électrode positive gaz - + - + - + - + + HV - Courant Ordinateur Cellule électrode négative

14. Et dans ATLAS ? Dans ATLAS détecteurde traces estdiviséen trois parties • Détecteurs pixel: constitués de 140 millions de pixelscarrés de silicium de 50 à 300 mde côté.Placé très près du faisceau pour minimiser sa taille (son coût est très élevé). • Detecteur a bandes SCT (SemiConducteurTracker) :il s’agit maintenant de 5 millions de bandes de 80m de largeur et de quelques centimètres de longueur disposées en cylindre. • Moins precis que pixels. • Détecteur de radiation de transition (TRT - Transition Radiation Tracker) : composé de 400 000 tubes de 4mm de diamètre et de 1,44m de long. Dans chacun de ces tubes est inséré un fil métallique. Une différence de potentiel est appliquée entre le fil et le tube, ce qui permet la génération d'un signal lors du passage d'une particule chargée.

15. Et dans ATLAS ? Dans ATLAS détecteurde traces estdiviséen trois parties • Détecteurs pixel: constitués de 140 millions de pixelscarrés de silicium de 50 à 300 mde côté.Placé très près du faisceau pour minimiser sa taille (son coût est très élevé). • Détecteur àbandes SCT (SemiConducteurTracker) : il s’agit maintenant de 5 millions de bandes de 80m de largeur et de quelques centimètres de longueur disposées en cylindre. • Moins précis que pixels. • Détecteur de radiation de transition (TRT - Transition Radiation Tracker) : composé de 400 000 tubes de 4mm de diamètre et de 1,44m de long. Dans chacun de ces tubes est inséré un fil métallique. Une différence de potentiel est appliquée entre le fil et le tube, ce qui permet la génération d'un signal lors du passage d'une particule chargée.

16. Et dans ATLAS ? Dans ATLAS détecteurde traces estdiviséen trois parties • Détecteurs pixel: constitués de 140 millions de pixelscarrés de silicium de 50 à 300 mde côté.Placé très près du faisceau pour minimiser sa taille (son coût est très élevé). • Détecteur àbandes SCT (SemiConducteurTracker): il s’agit maintenant de 5 millions de bandes de 80m de largeur et de quelques centimètres de longueur disposées en cylindre. • Moins précis que pixels. • Détecteur de radiation de transition (TRT - Transition Radiation Tracker) : composé de 400 000 tubes de 4mm de diamètre et de 1,44m de long. Dans chacun de ces tubes est inséré un fil métallique. Une différence de potentiel est appliquée entre le fil et le tube, ce qui permet la génération d'un signal lors du passage d'une particule chargée.

17. Mesure de l’énergie

18. Pour mesurerl’énergie, on arrêtela particule avec de la matière: Particulesqui interagissent beaucoup (e, photon)->peu de matière • Deuxphénomènesvontfreinerces particules : • 1- Le rayonnement de freinage(“Bremsstrahlung”en allemand)

19. Pour mesurerl’énergie, on arrêtela particule avec de la matière: Particulesqui interagissent beaucoup (e, photon)->peu de matière • Deuxphénomènesvontfreinerces particules : • 1- Le rayonnement de freinage(“Bremsstrahlung”en allemand) • 2- La création de pairee+e- (ou conversion)

20. Pour mesurerl’énergie, on arrêtela particule avec de la matière: Particulesqui interagissent beaucoup (e, photon)->peu de matière • Deuxphénomènesvontfreinerces particules : • 1- Le rayonnement de freinage(“Bremsstrahlung”en allemand) • 2- La création de pairee+e- (ou conversion) Le photon obtenudans 1- peutdonner 2- et inversementcascaded’électronset de photons de bassesénergie= gerbeélectromagnétique

21. Pour mesurerl’énergie, on arrêtela particule avec de la matière: Particulesqui interagissent beaucoup (e, photon)->peu de matière • Deuxphenomènesvontfreinerces particules : • 1- Le rayonnement de freinage(“Bremsstrahlung”en allemand) • 2- La création de pairee+e- (ou conversion) Les photons et lesélectronsdanscettegerbesont de basseénergie. On recueillecetteénergieet : E(part. incidente)= ΣE recueillies

22. Pour mesurerl’énergie, on arrêtela particule avec de la matière: Particulesqui interagissentmoins (proton)->beaucoup de matière • Un phénomènevafreinercesparticules : • Interaction avec les noyauxaboutissant a l’émissiond’un π0 • Interaction avec les noyaux • Desintégrationdu π0en deux photons Puischaque photon initieune cascadeélectromagnétique Gerbehadronique

23. Et dans ATLAS ? Calorimètrehadronique Calorimètreélectromagnétique La partie qui mesurel’énergies’appelle le CALORIMETRE (vient de calor : “chaleur”). Il estdivisé en deux parties : -la partieélectromagnétique(arrêteparticulesinteragissant beaucoup) -la partiehadronique (arrêteles particulesinteragissantpeu)

24. Et dans ATLAS ? 1- Partieélectromagnétique Diviséeenplusieurs parties : -partieabsorbanteen Plombpour arrêterparticules : des gerbesvonts’y former -desélectrodespour créeruneddp (trèshaute tension : 2000V sur 2 mm !!) Cesdeux parties sont en formed’accordéon - Le tout baignedansunepartie active d’Argonliquide a -185˚C qui vaêtreioniséepar particules de la gerbe 2- Partiehadronique -Absorbeurs en fer pour stopper les particules (600000 plaques de 3 mètresde long !) -Et scintillateurs pour mesurerl’énergie(400000 tuiles en polystyrènetransparents)

25. Les muons

26. Cesont des particuleschargées, on les voitdans le détecteurde traces (variétéd’électron, plus massifs) • Mais ne s’arrêtentdansaucun des deuxcalorimètres • On construit des chambresàmuons qui mesurent defaçontrèsprécisela vitesse et la trajectoire de cesparticules (précisionde l’ordre de l’épaisseurd’un cheveu !!) • Et dans ATLAS ? Le système àmuons se compose - D’aimants toroïdaux. - Tubes à dérive : un signal y est générélors du passage d'un muon - Chambre à rubans cathodiques : il détecte les muonsproches du faisceau. La position des muons est connue avec une précision de 0,1mm. - Chambre à plaques résistives et chambre multifils extraplate : ces parties du détecteur permettent la sélection des évènements en temps réel. (on ne garde que 100évènements/s sur 1 milliard !) Systèmeàmuon en bleu

27. Les neutrinos

28. Uneparticule invisible !!! Axe du faisceau de protons • On ne peut les voirni par leur trace (neutre) ni par leur passage dans les calorimètres(n’interagissent pas avec la matière) • On vautiliser la loi de conservation du vecteur M×Vdans le plan perpendiculaireàl’axe du faisceau: ΣM×Vi=0=ΣM×Vf Seule la la composante de la vitesseparallèleau faisceauest non nulle • A la fin, lorsqu’on a tout reconstruit, sicetteloin’est pas vérifiée, ilpeuts’agir d’un neutrino. Il peutaussis’agird’unedéfaillancedu détecteur(en général, ilmanquedanscecaspeud’énergie)

29. Résumé

30. Et les autresdétecteursdu LHC ?

31. CMS (Compact Muon Spectrometer) Expériencegénéralisterassemblant plus de 2000 physiciensrépartisdans 39 pays qui chercheà confirmer le modèle standard de la physique des particules, notamment en trouvant le boson de Higgs, maisaussiàdécouvrirquelque choseau delàde cemodèle(test d’autresmodèlescomme la SuperSymétrie) • Mêmeschémade détectionqu’Atlas. • Les différences: • Compact : deuxfois plus petit qu’Atlaspour un poidsdeuxfois plusélevé • Aimantsolénoïdesupraconducteurle plus grand et le plus puissant jamaisconstruit qui fournit un champ de 4T • Trajectographe en silicium, situéau centre • Calorimètreélectromagnétiqueconstituéde 80000 cristaux de tungstate de Plomb

32. LHCb (Large Hadron Collider Beauty) Expériencerassemblant660 scientifiques dispersés dans 15 pays qui a pour but de répondreàla question : pourquoil’antimatièresemblet’elleavoirdisparu ? Pour celaellevaétudierla différenceentre matièreet antimatièreartificiellementcrééeau LHC avec des quarks beauté. C’est un détecteurspécialisedans la détectiondes particulescontenant un quark bcontrairementàCMS et ATLAS qui sontpolyvalents. Cesparticulessontsouventémisesàbas angles (prèsdu faisceau). Cedétecteurfait 21 mètresde long, pèse5600 tonnes. Un trajectographe pour retrouver la trajectoire des particules DeuxdétecteursRICH1 et RICH2 qui permettentd’identifier les particules avec des miroirs en carbone Aimantdipolaire qui courbe la trajectoire Calorimètreélectromagnétique Détecteurde Vertexà1.6cm du faisceau >VELO (VErtexLOcator)->précisiond’unedizaine de micromètres Calorimètre hadronique Détecteuràmuon

33. ALICE (A Large Ion ColliderExperiment) Expériencerassemblantplus de 1000 physiciens et ingénieurs de 30 pays différents qui chercheàrecréerl’étatextrêmede température(100 000 fois plus grande que celle qui règne au centre du soleil) et de densiténucléaire(comprimer en exerçant une pression équivalente à 100 fois le poids de la Terre sur une tête d’épingle ! )qui auraitexistéquelquesmicrosecondesaprès le Big Bang afin de mieuxcomprendrel’étatde la matièreaux premiers instants de l’Univers. Pour cela collisions entre ions lourdsDans un noyau de Plomb ->82 protons->énergiemise en jeuest 82 fois plus grandequecelleobtenuedans ATLAS!!) • Se compose : • Un détecteurd’interaction qui signaleexactementquand la collision a eulieu. • Aimants et un trajectographe • Un détecteurd’identification de particules • Un calorimètre • Et un détecteuràmuons

34. Conclusion • On a besoin de détecteurs pour tester nos modèles théoriques et pour rechercher de la nouvelle physique. • Ils ont pour but de reconstruire toute l’histoire de la collision entre les deux protons en utilisant les caractéristiques des particules pour les identifier. • Doivent donc avoir une grande précision pour une bonne qualité des mesures. • Les détecteurs sont de plus en plus grands car on cherche à découvrir des particules de masses de plus en plus grandes • Défi technologique • Défi informatique • Défi d’analyse • Défi humain