POURQUOI LE CERN?

1. 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

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

3. Résumé Les constituants élémentaires de la matière:

4. Résumé Les constituants élémentaires de la matière: + leurs antiparticules

5. Résumé Les interactions fondamentales: L’échange de particules est responsable des forces

6. 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

7. 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

8. 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:

9. 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

10. 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

11. 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)

12. 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.

13. 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:

14. Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Les composants de base: Les cavités accélératrices:

15. 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)

16. 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:

17. 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:

18. 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.

19. Les outils de la physique des particules Les accélérateurs: Le complexe d’accélérateurs du CERN

20. Les outils de la physique des particules Les accélérateurs

21. Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Particules neutres Interactions secondaires: Energie manquante

22. 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.

23. Les outils de la physique des particules Comment détecter les particules? Chaque couche de détecteur a un rôle particulier à jouer:

24. 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

25. 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?

26. 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!

27. 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

28. 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

29. Les outils de la physique des particules 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.

30. 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:

31. Les outils de la physique des particules 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 :

32. 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 mm!

33. électron libre 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

34. 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 »: électron en excès impureté de valence 5 trou en excès impureté de valence 3

35. - + 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

36. Déroulement d’une expérience Collaborations mondiales!

37. Déroulement d’une expérience Collaborations mondiales!

38. 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

39. 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.

40. Déroulement d’une expérience Organisation:

41. Déroulement d’une expérience Organisation:

42. Déroulement d’une expérience Organisation:

43. Conclusions Bon voyage!