POURQUOI%20LE%20CERN?

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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.
• Déroulement dune expérience.
• Conclusions

Le CERN
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Résumé

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

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Résumé

• Les constituants élémentaires de la matière

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Résumé

• Les constituants élémentaires de la matière
• leurs antiparticules

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Résumé

• Les interactions fondamentales
• Léchange de particules est responsable des
  forces

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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
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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

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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

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Les outils de la physique des particules

• Pourquoi de hautes énergies?
• Critère de Rayleigh
• D ouverture l longueur d onde

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Les outils de la physique des particules

• Pourquoi de hautes énergies?
• Microscope électronique

Mécanique quantique petites dimensions équivale
nce onde - corpuscule E hc / l ?
? constante de Planck longueur donde
molécules de colloïde
structure cristalline
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Les outils de la physique des particules

• Pourquoi de hautes énergies?
• Pour sonder la structure des nucléons
• l lt 10-16 m
• Des énergies beaucoup plus hautes encore!
• de quelques Gev (1960) à plusieurs Tev ( 21ème
  siècle)

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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.

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs
• Le principe
• une source de particules p, e- ou ions, obtenus
  à partir datomes ionisés par une décharge
  électrique
• des champs électriques pour accélérer ces
  particules
• des champs magnétiques pour les guider
• Les composants de base
• La source

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs
• Les composants de base
• Les cavités accélératrices

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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)

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs
• Les composants de base
• Eventuellement des cibles
• Lorsquon désire un faisceau dautre 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 dantiprotons
• Le tunnel

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs
• Linéaires
• Avantage pas dénergie perdue par
• rayonnement synchrotron (e)
• Désavantage longueur et coût énergie!
• Circulaires

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs
• Expérience à cible fixe ou collisionneur?
• Le collisionneur permet datteindre de plus
  grandes énergies dans le système de repos, à
  énergie égale du ou des faisceaux accélérés.

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs
• Le complexe daccélérateurs du CERN

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Les outils de la physique des particules

• Les accélérateurs

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Les outils de la physique des particules

• Comment détecter les particules?

Particules neutres Interactions secondaires
Energie manquante
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Les outils de la physique des particules

• Comment détecter les particules?
• Dans les expériences à cible fixe, les
  particules sont émises vers lavant où sont
  placés les détecteurs
• Dans les collisionneurs, les particules sont
  émises dans toutes les directions et les
  détecteurs entourent la zone de collision.

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Les outils de la physique des particules

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

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Les outils de la physique des particules

• Comment détecter les particules?
• Diamètre 14,6 m Longueur 21,6 m
• Poids 14.500 T

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Les outils de la physique des particules

• Comment détecter les particules?

18 interactions pp enregistrées
simultanément avec une interaction intéressante
dans laquelle un Higgs se désintégrant en 4 m
énergétiques sont émis
Où sont les 4 muons?
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Les outils de la physique des particules

• Comment détecter les particules?

Après suppression des traces avec p lt 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!
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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 lanode où le champ
  électrique très intense (1/r) provoque une
  avalanche qui induit un signal sur lanode. La
  mesure du temps de dérive donne la distance.

Section au travers dun long tube
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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
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Les outils de la physique des particules

• Quelques types de détecteurs
• A laide dun guide de lumière, la lumière est
  dirigée vers un photomultiplicateur.
• Lamplitude des signaux
• est proportionnelle à
  lénergie déposée par la
• particule incidente. Dans
• un calorimètre lénergie
• de la gerbe est ainsi
• obtenue.

Principe des scintillateurs
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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 dimpact avec plusieurs couches de
  détecteurs successives

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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 destimer la quantité de mouvement
  dans ce plan, pt

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Les outils de la physique des particules

• Quelques types de détecteurs
• Les détecteurs de traces
• Actuellement, les détecteurs qui permettent de
  mesurer les points dimpact des particules
  chargées avec les couches des détecteur de traces
  sont souvent des détecteurs à semiconducteur
• résolution spatiale jusquà 10 mm!

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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

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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
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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
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Déroulement dune expérience

• Collaborations mondiales!

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Déroulement dune expérience

• Collaborations mondiales!

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Déroulement dune expérience

• Très longue durée
• Conception de lexpérience, 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

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Déroulement dune 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.
• Lexpérience est prévue pour 10 ans.

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Déroulement dune expérience

• Organisation

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Déroulement dune expérience

• Organisation

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Déroulement dune expérience

• Organisation

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Conclusions

Bon voyage!