A la recherche des particules étranges avec ALICE

CERN MasterClass 05 Avril 2014

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A la recherche des particules étranges avec ALICE

G De Cataldo, INFN , Bari, It.

Merci beaucoup à Y. Schutz et D. Hatzifotiadou pour le matériel scientifique et pour l’aide

Les pays dans la collaboration ALICE


2G De Cataldo, INFN , Bari, It.

36 pays, 136 Institutions et 1200 collaborateurs

Les scientifiques d’ALICE




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Le program de physique d’ALICE Le club de ceux qui fracassent des noyaux

atomiques les uns sur les autres …• Pourquoi ? Tenter de dissoudre en soupe les gluons et

les quarks (QGP) et de remonter le temps à une millionième de s après le BB;

• Comment ? Chauffer et comprimer la matière nucléaire (collision de noyaux de plomb dans LHC);

• Observer un phénomène qui dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 14

milliards d’années écoulées depuis la naissance de l’univers,

crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au cœur du soleil et

compacte la matière de façon telle que la pyramide de Kheops tiendrait dans une tête d’épingle.



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Laboratoire

2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons

1. Les noyaux (matière ordinaire) accélérés vont subir une collision frontale

Le mini Big Bang :Refaisons le chemin inverse

3. Les quarks et gluons libérés interagissent sous l’effet de l’interaction forte: le QGP. La matière tend vers l’équilibre

v/c = 0,99999993Contraction de Lorentz : 7 fm 0,003 fm

t~10-24 sT~5×1012 K

4. Le système se dilue et se refroidit

5. Quarks et gluons condensent pour former des hadrons, parmi eux des protons: la matière ordinaire

t~10-23 sT~1012 K


ALICE setup

ITS

TPCTRD

TOFPHOS

HMPID

PMD

FMD

MUON SPEC.

Mais qu’observe-t-on avec ALICE et comment ?


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Tonneau central


Collisions de Plomb 2011


G De Cataldo, INFN , Bari, It. 7

Le QGP et les particules étranges

Collision entre protons• Avant Il n’y a que des quarks de type u et d.

Après la collision il y aura des u,d mais aussi s,c.. Les particules étranges contiennent le quark s.

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Collision centrale entre noyaux de plomb Pb-Pb• Même mélange de quarks sauf que pendant la

collision il y a le QGP! (Kheops tiendrait dans une tête d’épingle!!). Donc étudier le quark s dans les deux cases nous permet de savoir plus sur le QGP!!



protons

Noyaux de plomb

b

Et maintenant un peu de physique: Géométrie d’une collision Pb-Pb

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La somme des amplitudes des signaux dans le détecteur nommé V0 est bien représentée à travers un model physique simple (ligne rouge) dit de Glauber.

centralpériphériques



Particules produites

b

Etrange! N’est pas?



-p

K0s→ +-

Ξ-→π-Λ→ - p -

Les particules étranges interagissent fortement avec la matière mais elles se désintègre ‘faiblement’ dans ~10-10 s au lieu de ~ 10-23s.

Etrange! N’est pas?

Premiers resultats PbPb au LHC QGP behaves as a perfect liquid at the LHC; Strangeness enhancement;



Quantité de mouvement (p)

Un moustique s’approche à la vitesse de 40 km/h. La collision sera indolore !Un camion s’approche à la vitesse de 40 km/h. La collision sera fatale !!! (écartez vous!)La masse du camion joue un rôle important.Cependant, un camion à l’arrêt ne vous fait pas peur.C’est donc non seulement la masse, mais aussi la vitesse qui importe c’est-à-dire la quantité de mouvement.

Compléments de Physique pour Identifier les particules

quantité de mouvement (p) est la grandeur physique associée à la vitesse (v) et à la masse (m) d'un objet:

p = (pxi+pyj+pzk) = mv (classique)



http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse

L’énergie cinétique (énergie liée à la vitesse) d’un proton au repos accéléré par une différence de potentiel de 1 Volt:

Ek = qV = (½ mpv2) (classique) q=1 (charge élémentaire; 1.6 x10-19 C) V=1 Volt E= 1 eV = 1.6x10-19 Joule

Energie

Compléments de Physique pour Identifier les particules


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Dans LHC des champs électriques accélèrent les protons! Chaque faisceau de protons @7 TeV a la même énergie qu’un TGV de 400 t lancé à 150 Km/h!! Cette énergie est suffisante pour fondre 500 kg de cuivre!


Que veut dire identifier le particules?



Pour Identifier une particule il faut 1) mesurer la quantité de mouvement, 2) la charge électrique et enfin calculer 3) la masse de chaque particule.

Pour étudier le QGP on veut identifier les particules dites ‘étranges’. Pour cela, en partant des particules filles de désintégration, on identifie la particule parente ’(exercice cet après midi!).

1) Mesure de la quantité de mouvement et de 2) la charge

électrique


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Identifier la charge et mesurer quantité de mouvement

p

qR=p/qB

p = quantité de mouvement à mesurer R = Rayon de courbureB = Champ magnétique de l’aimantq = charge de la particule

R


3) Masse invariante: qu’est-ce?


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Lois de Consevation: energie, quantité de mouvement et charge electrique. Donc:E=E1+E2p=p1+p2Neutre=(+) + (-)

Ça me fait rire!!!!

Apres t10-10 s

RésuméPour identifier des particules ‘‘parentes’’ , il faut mesurer la charge, la masses et la quantité de mouvement des particules filles!

-

+

m1

p1

E1

m2

p2

E2

Particules filles après la désintégration

Selon la relativité:E = m+pm= E- p

2 2 2

2 2 2

La masse invariante de la particule parent est donc:m = m1+m2+2(E1*E2) -2(p1*p2)

2 2 2

mpE

Particule parent (neutre) avant la désintégration

Inter.

Faisceau 2

Faisceau 1


http://www.google.fr/imgres?imgurl=http://afrochild.files.wordpress.com/2011/01/einstein460x276.jpg&imgrefurl=http://afrochild.wordpress.com/2011/01/19/1192/&usg=__ksVyEggihw740DxrvZpt5SqlRNI=&h=276&w=460&sz=18&hl=fr&start=17&zoom=1&itbs=1&tbnid=4BSvV9XZFIyPFM:&tbnh=77&tbnw=128&prev=/images?q=albert+einstein&hl=fr&gbv=2&tbs=isch:1&ei=986FTf-DPMuSswaz-LWOAw

http://www.google.fr/imgres?imgurl=http://afrochild.files.wordpress.com/2011/01/einstein460x276.jpg&imgrefurl=http://afrochild.wordpress.com/2011/01/19/1192/&usg=__ksVyEggihw740DxrvZpt5SqlRNI=&h=276&w=460&sz=18&hl=fr&start=17&zoom=1&itbs=1&tbnid=4BSvV9XZFIyPFM:&tbnh=77&tbnw=128&prev=/images?q=albert+einstein&hl=fr&gbv=2&tbs=isch:1&ei=986FTf-DPMuSswaz-LWOAw

Identification et distribution de la masse invariante


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m1p1E1

m2p2E2

mM

Pour des particules du même type avec valeurs de la quantité de mouvement au hasard, pas liées à la particule mère :

M = m1+m2+2(E1*E2)-2(p1p2)2 2 2


Les désintégrations à étudier dans l’exercice:


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Lambda

Pion



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Pour traiter les données

Yerevan

CERN

Saclay

Lyon

Dubna

Capetown, ZA

Birmingham

Cagliari

NIKHEF

GSI

Catania

BolognaTorino

PadovaIRB

Kolkata, India

OSU/OSCLBL/NERSC

Merida

Bari

Nantes

Distribuer les tâches :• les ressources CPU• le stockage des données

Sont réparties à travers le monde


Conclusions


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• Le LHC, avec des collisions de noyaux de plomb à des énergies jamais atteintes sur terre, recrée un état de la matière nommé Quark-Gluon Plasma (QGP), l’état de la matière pendant les premières millionièmes de secondes après le big-bang;

• L’expérience ALICE avec ses différentes techniques de détection, peut identifier plusieurs types de particules (quantité de mouvement, charge et mesure de masse);

• L’identification et la conte des particule ‘étranges’ dan le collisions pp or Pb-Pb nous permet de savoir plus sur le QGP! Ça est le sujet de l’exercice cet après-midi.


Documents

A la recherche des particules étranges avec ALICE