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Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct 2007 1 le LHC… Un géant pour l’infiniment petit

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Bruno Mansoulié, CEA/DAPNIA-SPP Fête de la Science, Oct 2007 1

le LHC…Un géant pour l’infiniment petit

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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!!