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29. March 2008

Bienvenue au CERNBienvenue au CERN

1F. Hahn / CERN PH DT1

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Déroulement de la VisiteDéroulement de la Visite

9:30 – 10:30 Conférence

10:30 – 10:40 Film sur Expérience ATLAS

10:40 – 11:00 Discussion

11:15 – 12:00 Visite Expérience ATLAS

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L’Origine du CERNL’Origine du CERN

Fin des années 40: “Fuite des Cerveaux” vers Fin des années 40: “Fuite des Cerveaux” vers les USAles USA

Décembre 1949: Louis de Broglie fait un appel Décembre 1949: Louis de Broglie fait un appel à la Conférence Européenne pour la Cultureà la Conférence Européenne pour la Culture

1952: Conseil Européen pour la Recherche 1952: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Nucléaire (CERNCERN) )

29.9.1954: Fondation du CERN par 12 Etats-29.9.1954: Fondation du CERN par 12 Etats-membres: B,CH, D, DK, F,GB, GR, I, N, NL, S, membres: B,CH, D, DK, F,GB, GR, I, N, NL, S, YUYU

40 ha à Meyrin (CH, GE)40 ha à Meyrin (CH, GE) Mise en chantier des deux premières Mise en chantier des deux premières

accélérateur: SC et PSaccélérateur: SC et PS29. March 2008 3F. Hahn / CERN PH DT1

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Le CERN Aujourd’huiLe CERN Aujourd’hui

2008: 490ha F, 112ha 2008: 490ha F, 112ha CHCH

2008: 20 Etats-2008: 20 Etats-membres: A, B, BU, membres: A, B, BU, CH, CK, D, DK, E, F, CH, CK, D, DK, E, F, GB, GR, H, I, N, NL, PL, GB, GR, H, I, N, NL, PL, P,S, SF, SK.P,S, SF, SK.

4

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Le CERN est un laboratoire international qui Le CERN est un laboratoire international qui met à disposition des physiciens des met à disposition des physiciens des particules, son savoir-faire et ses installations.particules, son savoir-faire et ses installations.

Ceux-ci sont:Ceux-ci sont: accélérateurs de particulesaccélérateurs de particules, qui accélèrent des , qui accélèrent des

particules jusqu’à presque la vitesse de la lumièreparticules jusqu’à presque la vitesse de la lumière et des et des détecteurs détecteurs qui rendront les particules qui rendront les particules

visibles.visibles. Ces instruments de recherche peuvent Ces instruments de recherche peuvent

difficilement être développés en dehors d'une difficilement être développés en dehors d'une organisation internationale comme le CERNorganisation internationale comme le CERN

Qu’est-ce que le CERN ?Qu’est-ce que le CERN ?

F. Hahn / CERN PH DT1

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Quelques Chiffres:Quelques Chiffres: Personnel:Personnel:

Titulaires: 2635 Titulaires: 2635 dont:dont:

74 physiciens de 74 physiciens de rechercherecherche

957 physiciens / 957 physiciens / ingénieursingénieurs

898 techniciens898 techniciens 474 employés et 474 employés et

administrateursadministrateurs 233 ouvriers et gens de 233 ouvriers et gens de

métiermétier

Autres: 443Autres: 443 Boursiers: 246Boursiers: 246 Associés scientifiques: 397Associés scientifiques: 397

Visiteurs scientifiqus: Visiteurs scientifiqus: 6775 6775 répartis sur 520 instituts répartis sur 520 instituts

et universitéset universités appartenant à 80 appartenant à 80

nationalitésnationalités

Cout:Cout: Budget annuel: 1240 M Budget annuel: 1240 M

CHFCHF Consommation électrique:Consommation électrique:

700GWh/année 700GWh/année(Situation en 2004)

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La Recherche FondamentaleLa Recherche Fondamentale ll y a un peu plus de 200 ans, au début de l'année 1782, ll y a un peu plus de 200 ans, au début de l'année 1782,

le physicien et philosophe allemand Christof Lichtenberg le physicien et philosophe allemand Christof Lichtenberg écrivait dans son journal: écrivait dans son journal:

« Inventer un remède infaillible contre le mal « Inventer un remède infaillible contre le mal de dents, qui le ferait disparaître en un de dents, qui le ferait disparaître en un instant, aurait autant – sinon plus – de valeur instant, aurait autant – sinon plus – de valeur que la découverte d'une nouvelle planète... que la découverte d'une nouvelle planète... mais je ne conçois pas de commencer le mais je ne conçois pas de commencer le journal de cette année avec autre un sujet journal de cette année avec autre un sujet que l'annonce de l'existence de la nouvelle que l'annonce de l'existence de la nouvelle planète. »planète. »

Fait reference a la découverte d’Uranus en 1781.29. March 2008 7

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La Recherche FondamentaleLa Recherche Fondamentale

La science fondamentale apporte des résultats La science fondamentale apporte des résultats d’intérêt général qui n’ont normalement pas d’intérêt général qui n’ont normalement pas de retombées économiques à court terme. de retombées économiques à court terme.

La science spécifique et appliquée est fondée La science spécifique et appliquée est fondée à la base sur les trouvailles de la science à la base sur les trouvailles de la science fondamentale.fondamentale.

Carlo Rubia: « There is nothing more useful Carlo Rubia: « There is nothing more useful than useless research »than useless research »

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Les Objectifs ScientifiquesLes Objectifs Scientifiques

Le CERN est un laboratoire où les scientifiques Le CERN est un laboratoire où les scientifiques viennent explorer les constituants de la viennent explorer les constituants de la matière et les forces qui assurent sa cohésion. matière et les forces qui assurent sa cohésion.

Le CERN existe avant tout pour fournir aux Le CERN existe avant tout pour fournir aux physiciens les outils dont ils ont besoin: des physiciens les outils dont ils ont besoin: des accélérateurs, pour porter les particules accélérateurs, pour porter les particules jusqu'à une vitesse proche de celle de la jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière, et des détecteurs pour observer ces lumière, et des détecteurs pour observer ces particules. particules.

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Physique des ParticulesPhysique des Particules

Deux types:Deux types: Quarks Quarks

6 espèces: u, d, s, c, b + t6 espèces: u, d, s, c, b + t

LeptonsLeptons 6 espèces: e, 6 espèces: e,

+12 anti-particules +12 anti-particules 6 Anti-Quarks6 Anti-Quarks 6 Anti-Leptons6 Anti-Leptons

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Quatre interactions (Forces)Quatre interactions (Forces) Gravitation:Gravitation:

cohésion du système solairecohésion du système solaire une masse attire une autre masseune masse attire une autre masse

Interaction électromagnétique:Interaction électromagnétique: cohésion des atomescohésion des atomes électricité, magnétisme, chimieélectricité, magnétisme, chimie

Interaction nucléaire forte:Interaction nucléaire forte: cohésion du noyaucohésion du noyau centrales nucléaires à fissioncentrales nucléaires à fission

Interaction nucléaire faible:Interaction nucléaire faible: désintégration du neutrondésintégration du neutron

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Le “modèle standard”Le “modèle standard”

Gluons (8)

Quarks

MesonsBaryons Nuclei

Graviton ? Bosons (W,Z)

AtomsLightChemistryElectronics

Solar systemGalaxiesBlack holes

Neutron decayBeta radioactivityNeutrino interactionsBurning of the sun

Strong

Photon

Gravitational Weak

The particle drawings are simple artistic representations

Electromagnetic

Tau

Muon

Electron

TauNeutrino

MuonNeutrino

ElectronNeutrino

-1

-1

-1

0

0

0

Bottom

Strange

Down

Top

Charm

Up

2/3

2/3

2/3

-1/3

-1/3

-1/3

each quark: R, B, G 3 colours

QuarksElectric Charge

LeptonsElectric Charge

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Comment étudier les particules ?Comment étudier les particules ?

Les particules sont extrêmement petites,et pour Les particules sont extrêmement petites,et pour les voir il faut des outils spéciaux.les voir il faut des outils spéciaux.

1.1. Un accélérateur est une machine qui Un accélérateur est une machine qui accélère les particules a des très hauts accélère les particules a des très hauts niveaux d’énergie, avant de les faire niveaux d’énergie, avant de les faire collisionner avec d’autres particules. collisionner avec d’autres particules.

2.2. Des détecteurs, sont des appareils (souvent Des détecteurs, sont des appareils (souvent très grands) qui permettent d’étudier les très grands) qui permettent d’étudier les collisions. Le détecteur mesure (détecte), si collisions. Le détecteur mesure (détecte), si possible, toutes les particules qui sortent possible, toutes les particules qui sortent d’une collision.d’une collision.

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Les outilsLes outils

AccélérateurDétecteur

Ordinateurs

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Accelerateurs (1)Accelerateurs (1)

Composantes Principales:Composantes Principales: Un tube à vide Un tube à vide Cavités de Radio Fréquence qui produisent Cavités de Radio Fréquence qui produisent

des pulses de champs électrique qui des pulses de champs électrique qui accélèrent les particules accélèrent les particules

Aimants:Aimants: Aimants dipôles pour dévier les faisceaux de Aimants dipôles pour dévier les faisceaux de

particules sur un orbite circulaire. particules sur un orbite circulaire. Aimants quadripôles pour focaliser le faisceau de Aimants quadripôles pour focaliser le faisceau de

particules (comme une lentille)particules (comme une lentille)

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AccélérateursAccélérateurs

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Les Accélérateurs du CERNLes Accélérateurs du CERN

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CERN LHC, to be finished in 200829. March 2008 18

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LHC is the biggest particle accelerator ever built.

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slide 20

LHC magnet installationLHC magnet installation

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slide 21

LHC magnet installationLHC magnet installation

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slide 22

LHC magnet installationLHC magnet installation

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slide 23

LHC magnet designLHC magnet design

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DétecteursDétecteurs

Basés sur le principe de l’interaction Basés sur le principe de l’interaction entre les particules et la matièreentre les particules et la matière

Construits en plusieurs couches qui Construits en plusieurs couches qui mesurent différentes mesurent différentes caractéristiques des particules:caractéristiques des particules:

Trajectoire des particulesTrajectoire des particules Energies ….Energies …. Vitesse, masse, etc.Vitesse, masse, etc.

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DétecteursDétecteurs

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ALICE DetectorALICE Detector

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Here is one of them:

ATLAS

22 m

44 m

A Toroidal LHC ApparatuS

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ATLAS

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How these collaborations work? Where they get money?The ATLAS Collaboration includes about 1850 physicists and engineers from 175 institutes in 34 countries. CMS has a similar list of participants often from the same countries, but not completely overlapping.

Each institute has specific responsi-bilities as formalized in a Memorandum of Understanding.

Financial support comes from the funding agencies of individual participating states.

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OrdinateursOrdinateurs Calculs théoriquesCalculs théoriques Contrôle des accélérateurs Contrôle des accélérateurs Contrôle des détecteurs Contrôle des détecteurs Dépouillement des donnéesDépouillement des données

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Data Recording Data Recording and Analysisand Analysis

Expected raw data written to tape:Expected raw data written to tape: 200 events/sec = 320Mbytes/sec ( equivalent to 1 200 events/sec = 320Mbytes/sec ( equivalent to 1

HD of a modern PC full every 3 min. , so approx. HD of a modern PC full every 3 min. , so approx. 500 HD’s per day. 500 HD’s per day.

Data Analysis will be world Wide (GRID)Data Analysis will be world Wide (GRID) Data will be exported from CERN to 10 computing Data will be exported from CERN to 10 computing

centres with a rate of 10 Gbytes/sec. After centres with a rate of 10 Gbytes/sec. After processing data are distributed to 50 collaborating processing data are distributed to 50 collaborating institutes. institutes.

Example: ATLAS

F. Hahn / CERN PH DT1

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Utilité du CERNUtilité du CERN Recherche fondamentaleRecherche fondamentale Avancée technologiqueAvancée technologique ExemplesExemples

supraconductivitésupraconductivité rayonnement synchrotronrayonnement synchrotron accélérateurs et détecteurs médicauxaccélérateurs et détecteurs médicaux systèmes de contrôle, systèmes de contrôle, superordinateurssuperordinateurs

Nouvelles idées: Nouvelles idées: W W WW W W Amplificateur d’énergieAmplificateur d’énergie

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29. March 2008 F. Hahn / CERN PH DT1 33

Spare Sheets

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Comment étudier le « Tout Comment étudier le « Tout Petit » Petit »

Méthode classique:Méthode classique: Démonter avec un tournevis Démonter avec un tournevis

Regarder avec un Regarder avec un

microscope, etc.microscope, etc.

Mais on n’arrivera pas très Mais on n’arrivera pas très loin... loin...

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On pourrait essayer avec des On pourrait essayer avec des CollisionsCollisions

On arrive à regarder à On arrive à regarder à l’intérieur, mais pas l’intérieur, mais pas vraiment très loin.vraiment très loin.

L’énergie est peut-être L’énergie est peut-être insuffisante ? insuffisante ?

… … il faut mieux il faut mieux commencer avec des commencer avec des objets plus simple. objets plus simple.

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Each meeting of two bunches resultsin about 23 proton-proton collisions.The mean number of particles born in all these collisions is about 1500. The detector should record as many of them as possible.

The collision point is “watched”by surrounding detector.

Some particles just escapedfrom the collision zone, the next collision threatens.

The detector should:• have large coverage

(catch most particles)• be precise• be fast (and cheap and ...)

The collision point is “watched”by surrounding detector.

Some particles just escapedfrom the collision zone, the next collision threatens.

The detector should:• have large coverage

(catch most particles)• be precise• be fast (and cheap and ...)

So boring to paint1011 protons in each bunch ... Each proton carries energy 7 TeV.

So each bunch with 1011 protons carriesenergy 1011×7×1012 eV = 7×1023 eV = 44 kJ. This is a macroscopic energy!!! In order to reach such kinetic energy on a bike, you go with a speed of more than 30 km/h!

At the LHC:

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