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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.

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Presentation Transcript
Pourquoi le cern
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


R sum
Résumé

Au CERN on étudie principalement les constituants les plus ténus de la matière et leurs interactions


R sum1
Résumé

Les constituants élémentaires de la matière:


R sum2
Résumé

Les constituants élémentaires de la matière:

+ leurs antiparticules


R sum3
Résumé

Les interactions fondamentales:

L’échange de particules est responsable des forces


R sum4
Résumé

Théorie électrofaible

+

QCD

+

modèle des quarks

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


R sum5
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


Les outils de la physique des particules

Onde

visible

Franges de

diffraction

Optique

parfaite

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:


Les outils de la physique des particules1

lumière visible : 0.5 mm

grain photo au microscope optique

Les outils de la physique des particules

Pourquoi de hautes énergies?

Critère de Rayleigh:

D: ouverture l = longueur d ’onde


Les outils de la physique des particules2
Les outils de la physique des particules

Mécanique quantique : petites dimensions équivalence onde - corpusculeE = hc / l

 

constante de Planck longueur d’onde

Pourquoi de hautes énergies?

Microscope électronique:

molécules

de colloïde

structure

cristalline


Les outils de la physique des particules3
Les outils de la physique des particules

Pourquoi de hautes énergies?

Pour sonder la structure des nucléons:

l < 10-16 m

Des énergies beaucoup plus hautes encore!

de quelques Gev (1960) à plusieurs Tev ( 21ème siècle)


Les outils de la physique des particules4
Les outils de la physique des particules

Comment les obtenir?

Dans le rayonnement cosmique:

n, p et quelques noyaux qui proviennent du soleil, des étoiles et des galaxies.

Atmosphère: gerbe!

Au sol: m (75%) e, g (25%)

Avec des accélérateurs de particules.


Les outils de la physique des particules5

H2

-

Hydrogène

gazeux

HT

+

Vers les

cavités

accélératrices

+

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:


Les outils de la physique des particules6
Les outils de la physique des particules

Les accélérateurs:

Les composants de base:

Les cavités accélératrices:


Les outils de la physique des particules7
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)


Les outils de la physique des particules8
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 p+

  • faisceau de neutrinos

  • faisceau de positons

  • faisceau d’antiprotons

    Le tunnel:


Les outils de la physique des particules9
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:


Les outils de la physique des particules10
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.


Les outils de la physique des particules11
Les outils de la physique des particules

Les accélérateurs:

Le complexe d’accélérateurs du CERN



Les outils de la physique des particules13
Les outils de la physique des particules

Comment détecter les particules?

Particules neutres

Interactions secondaires:

Energie manquante


Les outils de la physique des particules14
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.


Les outils de la physique des particules15
Les outils de la physique des particules

Comment détecter les particules?

Chaque couche de détecteur a un rôle particulier à jouer:


Les outils de la physique des particules16

CMS

p

p

Les outils de la physique des particules

Comment détecter les particules?

Diamètre: 14,6 m Longueur: 21,6 m

Poids: 14.500 T


Les outils de la physique des particules17
Les outils de la physique des particules

18 interactions pp enregistrées simultanément

avec une interaction intéressante dans laquelle

un Higgs se désintégrant en 4 m énergétiques

sont émis

Comment détecter les particules?

Où sont les 4 muons?


Les outils de la physique des particules18
Les outils de la physique des particules

Comment détecter les particules?

Après suppression des traces

avec p < 2 Gev

On distingue les 4 muons en jaune

Possible si la taille des cellules

de détection est de ~1 mm2,

ce qui conduit à 107 signaux!


Les outils de la physique des particules19

particule chargée

+

-

A

C

+

-

E

+

-

d

C: cathode

A: anode

E: champ électrique

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.

Section au travers

d’un long tube


Les outils de la physique des particules20

Ils sont constitués de matériaux très denses pour provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Exemple:

scintillateur

plombé

Les outils de la physique des particules

Quelques types de détecteurs:

Les calorimètres:

Principe des scintillateurs:

Au passage d ’une particule

chargée, les atomes du

scintillateur sont excités

et se désexcitent en

émettant de la lumière

pour laquelle il est

transparent


Les outils de la physique des particules21
Les outils de la physique des particules provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Principe des scintillateurs:

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.


Les outils de la physique des particules22
Les outils de la physique des particules provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

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:


Les outils de la physique des particules23
Les outils de la physique des particules provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Quelques types de détecteurs:

Les détecteurs de traces:

La mesure du rayon de courbure r dans le plan transverse, perpendiculaire au champ magnétique , permet d’estimer la quantité de mouvement dans ce plan, pt :


Les outils de la physique des particules24
Les outils de la physique des particules provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

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 mm!


Les outils de la physique des particules25

électron libre provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

trou

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


Les outils de la physique des particules26
Les outils de la physique des particules provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

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 »:

électron en excès

impureté de valence 5

trou en excès

impureté de valence 3


Les outils de la physique des particules27

- provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

+

n

p

p

n

-

+

Les outils de la physique des particules

Quelques types de détecteurs:

principe des détecteurs à semiconducteur:

  • jonction n-p:

  • détecteur: jonction n-p polarisée:

zone de déplétion


D roulement d une exp rience
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Collaborations mondiales!


D roulement d une exp rience1
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Collaborations mondiales!


D roulement d une exp rience2
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

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


D roulement d une exp rience3
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

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.


D roulement d une exp rience4
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Organisation:


D roulement d une exp rience5
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Organisation:


D roulement d une exp rience6
Déroulement d’une expérience provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Organisation:


Conclusions
Conclusions provoquer soit une gerbe é.m. soit une gerbe hadronique

Bon voyage!


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