POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB -19 avril 2002 Contenu (suite): Après-midi: Résumé du cours...

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

Résumé

Au CERN on étudie principalement les constituants les plus ténus de la

matière et leurs interactions

Résumé

Les constituants élémentaires de la matière:

Résumé

Les constituants élémentaires de la matière:

+ leurs antiparticules

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

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

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

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

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

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

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)

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, ....

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

Les outils de la physique des particules

Les accélérateurs:Les composants de base:

Les cavités accélératrices:

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 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:

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 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 particules

Les accélérateurs:Le complexe d’accélérateurs du CERN

Les outils de la physique des particules

Les accélérateurs

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

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 particules

Comment détecter les particules?Chaque couche de détecteur a un rôle particulier à jouer:

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

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?

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

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

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

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:

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

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)

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!

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

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

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

Déroulement d’une expérience

Collaborations mondiales!

Déroulement d’une expérience

Collaborations mondiales!

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

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.

Déroulement d’une expérience

Organisation:

Déroulement d’une expérience

Organisation:

Déroulement d’une expérience

Organisation:

Conclusions