Accélérateurs et détecteurs de particules

Accélérateurs et détecteurs de particules

Masterclass de Clermont-FerrandMars 2012

2Physique des particules

I - LES ACCÉLÉRATEURS

• But: provoquer des collisions de particules (électrons, protons, …)

• Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules est convertie en matière

•Création de nouvelles particules•explorer les forces et les particules fondamentales de la nature


La Physique des accélérateurs

F qE qv BLes équations de Maxwell sont relativistes; par conséquent , ce que nous écrirons classiquement vaudra pour des objets relativistes.

LES CHAMPS ELECTRIQUES ACCELERENT LES PARTICULES.LES CHAMPS MAGNETIQUES PERMETTENT DE CONTROLER LES TRAJECTOIRES.



Les accélérateurs linéairesDans un tube cylindrique sous vide sont alignées des séries d’électrodes. Leur polarité électrique est alternée en les connectant à une source de radiofréquences.

Les particules chargées sont accélérées pendant leur passage entre deux électrodes (DE =qV) et la radiofréquence alterne la polarité de l’électrode suivante pour qu’à sa sortie du premier intervalle d’accélération la particule soit soumise à une différence de potentiel identique (minimisation de la longueur d’accélération).



Les accélérateurs linéaires

Lorsque l’on a affaire à une particule légère, elle atteint rapidement une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Elle peut dès lors être accélérée par une onde électromagnétique produite dans une cavité résonante (PROPAGATION EN PHASE AVEC L’ONDE).



Les accélérateurs linéaires

Le plus grand accélérateur linéaire était à Stanford et a servi d’injecteur au SLC. Sa longueur est de 3km et l’énergie atteinte par les électrons est 20 GeV.



Les accélérateurs circulaires : le synchrotron

Si l’on ne peut jouer sur l’ajustement du champ électrique, pourquoi ne pas travailler sur le contrôle de la trajectoire, c’est-à-dire sur l’ajustement du champ magnétique. L’idée consiste donc à ajuster la trajectoire pendant l’accélération pour la maintenir sur une trajectoire circulaire (rayon de courbure constant).

L’accélérateur est donc constitué d’une série d’aimants dipolaires (maintiennent la trajectoire circulaire) et d’aimants quadripolaire (assurent la focalisation du faisceau), intercalés avec des systèmes d’accélération radiofréquence. Des espaces sont réservés aux zones d’interaction.

RF

IP

D

Q



Les accélérateurs circulaires : Contrôle de la trajectoire


• Des aimants permettent de courber la trajectoire des particules

• Il faut aussi contrôler la taille du faisceau de particules: focalisation à l’aide de quadrupoles


Le Large Hadron Collider

Un tunnel circulaire de27 km

de circonférence

Un tunnel circulaire de27 km

de circonférence



Le Large Hadron Collider: Gran Collisionneur de Hadron

Un gigantesque instrument• long de 27 km• refroidit à 1,9 Kelvin• un vide de 10-13 atmosphère

Dans lequel des protons ou des ions de plomb sont accélérés presque à la vitesse de la lumière avant d’entrer en collision frontale !



Les détecteurs de la physique subatomique

Ils servent à identifier et mesurer les caractéristiques des particules mises en jeu dans une réaction d’accélérateurs ou de particules d’origine cosmique. Ses fonctions principales sont :

Déterminer la trajectoire des particules

Déterminer leur charge électrique et leur impulsion

Identifier la nature des particules

Mesurer l’énergie des particules neutres

II- LES DÉTECTEURS


La Physique des détecteurs : L’IONISATION

II- LES DÉTECTEURS


DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEURS: LE VDET D’ALEPH

II- LES DÉTECTEURS


TRAJECTOGRAPHE ET IMPULSION: LA TPC D’ALEPHGEOMETRIE ET PRINCIPE

Une particule traverse la chambre gazeuse en l’ionisant. Les électrons d’ionisation sont guidés vers les extrémités par un champ électriqueLa charge est collectée par des fils (chambre à fil) et lue simultanément par effet capacitif sur des cellules (les pads)

La charge est mesurée. La segmentation du plan de pad permet de calculer le dE/dx et donc d’identifier les particules.

II- LES DÉTECTEURS


TRAJECTOGRAPHE ET IMPULSION: MESURE DE L’IMPULSION

Un peu de géométrie élémentaire: la corde et la flèche.

28

2 s

s

L

s

LBcpLsSi8

300,2

MESURER L’IMPULSION, C’EST MESURER LE RAYON DE COURBURE.LA TRAJECTOIRE GENERALE EST UNE HELICE.

II- LES DÉTECTEURS

qB

mv


La Physique des détecteurs3) RAYONNEMENT DE FREINAGE

eg

eg

Noyau

II- LES DÉTECTEURS


LA PHYSIQUE DE LA CALORIMETRIE EM

Les électrons commencent par perdre leur énergie par rayonnement de freinage.

Les photons perdent leur énergie par création de paires, diffusion Compton et effet photoélectrique.

Les positrons s’annihilent avec les électrons du milieu pour produire des photons.

Ci-contre un électron de 20 GeV dans du fer.

Les calorimètres sont des mesureurs d’énergie par destruction : toute l’énergie de la particule est dégradée dans le volume de détection.

Le nombre de particules dans la cascade (ou gerbe) est proportionnel à l’énergie de la particule incidente.

II- LES DÉTECTEURS


La Physique des détecteurs

5) EFFET CERENKOV

Quand une particule chargée traverse un milieu dispersif d’indice de réfraction n (clum=c/n) à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce milieu, ELLE EMET UN CONE DE LUMIERE BLEUE. C’est l’analogue du mur du son.

Le demi-angle au sommet du cône est donné par

pn

m

n

1

cos

CONNAISSANT P ON PEUT DETERMINER LA MASSE DE LA PARTICULE ET DONC IDENTIFIER SA NATURE.

II- LES DÉTECTEURS


La Physique des détecteurs5) EFFET CERENKOV : le DIRC de BaBar

II- LES DÉTECTEURS


POUR LIRE LA LUMIERE

LE PHOTOMULTIPLICATEUR

II- LES DÉTECTEURS


II- LES DÉTECTEURS


II- LES DÉTECTEURS

• Les muons sont des particules chargées, on les voit dans le détecteur de traces, mais ils ne s’arrêtent pas dans les calorimètres.

• Les chambres à muons sont placées « après tout le reste » il y a donc une grande quantité de matière en amont. Les particules autres que les muons (et les neutrinos) ne les atteignent pas.

LES MUONS


II- LES DÉTECTEURS

RÉSUMÉ


Backup

II- LES DÉTECTEURS


L’interaction de base est cette fois l’excitation atomique ou moléculaire; le retour à la stabilité s’opère par émission de lumière (c’est la fluorescence). Le passage d’une particule est synonyme de production de lumière détectable.

BANDE DE VALENCE

BANDE DE CONDUCTION

TROU

ELECTROND’EXCITATION

PHOTON

ETATS D’ENERGIEAVEC DOPANT

II- LES DÉTECTEURS


II- LES DÉTECTEURS


ébullition: il y a des centres de nucléation (les ions créés par agitation thermique, des poussières et des défauts/irrégularités de surface du contenant).

Quand une particule chargée traverse un liquide, elle l’ionise. Des bulles DOIVENT donc se former le long de la trajectoire !

PRINCIPE :

•hydrogène liquide à une température supérieure à la température d’ébullition sous une pression de 10 atmosphères ajustable : pas d’ébullition. •Après le passage d’une particule chargée (déclenché par un scintillateur par exemple), la pression est diminuée autorisant le développement des bulles le long de la trajectoire. •Au bout de quelques ms, les traces des particules peuvent être photographiées en stéréo par plusieurs appareils. UN TRACKER 3D MAGNIFIQUE ! La pression est remontée pour éviter l’ébullition.

II- LES DÉTECTEURS


Les accélérateurs circulaires

Le premier d’entre eux est le cyclotron imaginé par Lawrence dans les années 1930.

B

d

E

Dee

Pour un champ magnétique B uniforme et constant orthogonal à la vitesse des particules, la trajectoire est circulaire (de rayon de courbure r) et demeure dans le plan de la figure.

Bdp

dt

d(Bp)

dtB(qv B) 0

v

qVtqEp

m

qB

qB

mv

;On accélère la particule au passage d’un Dee à l’autre, il faut donc inverser la polarité avec une tension haute fréquence.


Néanmoins, ce type de machine est limité par la taille des électro-aimants et des Dees: les énergies maximales que l’on peut atteindre sont de l’ordre du GeV.


DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEURS: LE VDET D’ALEPH

Une chambre d’ionisation à semi-conducteur est formée par une jonction p-n alimentée en inverse à laquelle on applique une tension suffisamment grande pour avoir une déplétion complète du volume de détecteur. Dans l’échelle de gauche, il y a des séparateurs isolants fins (SiO2) qui rendent les damiers indépendants.

Le passage d’une particule crée de l’ordre de 20000 paires électrons-trous, dont la dérive donne un signal mesurable.

II- LES DÉTECTEURS

Documents

Accélérateurs et détecteurs de particules