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Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct 2007 1
le LHC…Un géant pour l’infiniment petit
Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct 2007 2
La physique des particules en (très) bref
• La matière: constituants (“particules”) et interactions.
• Lesquels?– Particules élémentaires: quarks, électrons,…– Interactions: électromagnétique, faible, forte, gravité– Matière noire?
• Pourquoi?– Les particules existent-elles?
– D’où vient leur masse, leur charge?
– Y a-t’il 3 dimensions à l’espace?– …
• D’où viennent-ils?– Big bang (il y a 13 milliards d’années!)– Evolution de l’univers: particules => atomes => galaxies, étoiles, planètes, nous…
electrons quarksProtons,neutrons
Des plus petites distances… aux plus grandes
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Enjeu scientifique du LHC
Le « Modèle standard »: notre vision des constituants élémentaires et de leurs interactions
• Mécanique Quantique + Relativité (20e siècle)
+ Des principes de symétrie très profonds
• Modèle très puissant:– confirmé par toutes les mesures aujourd’hui!
• Mais incomplet :– Côté particules: Boson de Higgs? , autre mécanisme?– Côté cosmologie: Matière noire ?
⇒ Théories « au-delà du Modèle Standard »: Supersymétrie, dimensions supplémentaires, etc.
• Toutes les mesures indiquent: la/les clé(s) à une énergie autour de « 1 TeV » (= 1000 GeV)
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• Grands centres internationaux: Europe : CERN (Genève) , DESY(All.) ,
US : FNAL, SLAC, Japon :KEK
• Au CERN : LEP de 1989 à 2000(anneau souterrain 27 km, collisions électron-positon => 207 GeV
Une réussite : machine , expériences, analyses
ont dépassé leurs engagements initiaux.
Une moisson de résultats
de précision sur le Modèle Standard
… mais toujours pas de « Higgs » (?)
ni de « nouvelle physique ».
L’expérimentation aux grands accélérateurs
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Le projet LHC au Cern
LHC:proton-proton 14 TeV dans le tunnel du LEP
Complexed’accélérateursdu Cern utilisécommeinjecteurs
Très nombreuxpaquets de protons
4 points d’intersection:4 expériences
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Machine
LHC: collisionneur proton-proton dans le tunnel du LEP (circonférence 27 km).
Énergie de faisceau : 7 TeV => collisions à 14 TeV (7 fois l’actuel « TeVatron » de Chicago)
Intensité nominale: 40 millions de collisions/seconde (= 100 fois TeVatron).
1984 Première réunion à Lausanne
1991 Résolution de principe sur LHC
1993 Abandon du concurrent US: SSC
1994 Accord pays européens pour LHC
1995 Approbation ATLAS et CMS
1997 US, Japon, Inde rejoignent LHC
1998 Début génie civil cavernes expériences
… Construction machine et expériences…
2008 Mise en service Le 1000e aimant en place dans le tunnel!
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Aimants de guidage et cryogénie
• 1232 aimants de courbure (dipôles)
champ magnétique 8,4 Tesla
(record pour accélérateur)
• > 5000 autres aimants (focalisation)
• Tous supraconducteurs, à 1,8K (!)
Note: Amenées de courant en supra Haut TC !
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Etat d’avancement de la machine
• 26 Avril 2007:Le dernier aimant descend dans le tunnel
– Tous les aimants en place
• Installation en cours– Très complexe:Interconnections, refroidissement,réglages…
• Fermeture machine: Avril 2008
• Premiers faisceaux circulants: Mai 2008
• Premières collisions: Juillet 2008 à pleine énergie (14 TeV) mais basse intensité
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Expériences sur collisionneurs: principe
• A chaque point d’interaction: un grand Détecteur
• Collision => “événement”: dizaines de particules sortantes
• Détecteur “en oignon” autour du point de collision:détection des particules “stables”
• Différentes couches => milliers (millions) de détecteursélémentaires (électroniques)
• Chaque détecteur donne si une particule le touche:
• Position
• Energie (et/ou) de la particule
• Type
Taille ~20 m x 20 m x 30 m
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Reconstruction, analyse, découverte
• Analyse: reconstitution de la collision
à l’aide de (très gros) logiciels
• Recherche de processus inconnus
• Mesures de précision
• Lutte contre les “bruits de fond”
Simulations complètes:Théorie, Détecteur,Électronique,Logiciel
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Expériences
• ATLAS et CMS Alice LHCB
proton-proton à haute luminosité ion-ion physique du quark B
(Higgs, etc.)
⇒ Détecteurs rapides (10 - 100 ns)
⇒ finement divisés (millions de voies)
⇒ résistants aux rayonnements
⇒ flux d’information très élevé
⇒ Expériences grandes et complexes
Collaborations mondiales
~1500 physiciens, 150 instituts…
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ATLAS
45 m
25 m
aimant toroïde central
calorimètre
électromagnétique
détecteurs à muons
aimant toroïde avant
détecteur central
de traces
calorimètres
hadroniques
solénoïde
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Aimant toroïde central Atlas
Champ magnétique:
Calcul
Mesure (2000 sondes de Hall)
Reconstruction en tout point
Testé à plein courant (21000 A) le 9 Nov 2006 !
Conception aimant:CEA-Dapnia (Saclay)
Réalisation:Industrie, labos, Cern
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Atlas: Système à muons
• But : Mesure des trajectoires des MUONSReconstruction de leur impulsion
• 3000 m2 de chambres à fils, autour de et dans l’aimant
• suivi de la position de tous les détecteurs
à 30 microns près en temps réel (système optique)
• Logiciel de reconstruction des traces
mis au point sur simulations complètes.
Actuellement en test avec les (vrais!) muons cosmiques
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ATLAS: détecteur de traces interne à “pixels”
• But: Détection des traces très près du point d’interaction
• 1744 plaquettes de silicium 16x 60 mm2
• Une plaquette: 46080 pixels de 50 x 400 microns
• Total: 80 millions de pixels
• Précision spatiale: ~15 x 120 microns
25 cm
1,4 m
1 cm
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Electronique de traitement
• Fonctions: traitement du signal, sélection des événements.
• Pour chacun des millions de détecteurs élémentaires
( et 40 millions de fois par seconde):
– Traitement signal, Numérisation
• Pour l’événement complet:
– Calculs rapides=> quantités physiques
– Sélection des événements
Sur “fermes” de PC (~2000 PC en parallèle)
=> Enregistrement de l’événement
Atlas: 750 armoires
Circuit intégré(6x6 mm)
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Logiciels, Analyse, grille de calcul
• enregistrement de ~100 événements/sec
1 événement = 1,5 MByte
⇒ ~10 millions GByte par an à stocker et processer
• nécessite ~100 000 PC tournant 24h/24
=> Grilles de calcul
– Centres de calcul (fermes de processeurs)– Réseaux rapides– Software « transparent » (~ hyper Kazaa ou Emule)
Mardi, 17:21. 37682 jobs actifs sur 140 sites
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Recherche à LHC
• (Simulations !)
• Boson de Higgs “Standard”Découverte quasi certaine(si c’est bien la bonne théorie!)
• Le “Modèle Standard”: peut-être pas toute l’histoire?– Autres théories (plus vastes) :Supersymétrie, dimensions supplémentaires, etc.
Nombreuses possibilités de découverte…
Energie naturelle du Modèle Standard 1 TeV Energie des collisions à LHC
Evénement « Higgs Standard »
Evénement « micro trou noir »
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Conclusion
• 2008: mise en service du LHC
et ses expériences
– Aboutissement d’un grand effort technologique
– Début d’une grande aventure scientifique
(pour au moins 10 ans…)
– Très forte attente de la communauté
internationale des chercheurs
• Découverte? Jamais garantie, mais LHC est le premier accélérateur capable d’explorer complètement l’échelle d’énergie du Modèle Standard: 1 TeV
• Mais attention au TeVatron (US)… Une « fenêtre d’opportunité » sur le Higgs vers 2009 si sa masse est entre 115 et 140 GeV…Pas de retard pour LHC!!