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ACCELERATEURS & DETECTEURS
Hands on Par4cle Physics Interna4onal Masterclasses for High School Students
des ou4ls gigantesques, pour des par4cules toutes pe4tes
1
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Cours de
ph
ysique
des par4cules • De quoi sommes nous fait ?
• Quelles sont les lois qui régissent le comportement de la ma4ère ?
• Comment les découvrir ?
INTRODUCTION
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Résumé (très résumé !) du cours précédent
Je n’oserai pas m’aventurer à vous expliquer plus loin en physique des par4cules !!
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1. Principe Expérimental …
…quelques exemples de plus en plus compliqués.
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Quelle est la profondeur d’un puits ?
1) On jeZe un caillou
On ne s’intéresse qu’à la méthode pour l’instant…
Qu’est ce qui est important dans ceZe expérience ?
2) On compte & on écoute 3) Poc ! T=3s
4) On calcule ! je vous laisse le faire ;-‐)
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Trouver les fenêtre d’un mur…
…à la mitrailleuse !!!
1) Placer « un truc » derrière le mur.
2) Arroser le mur au M60 (si possible uniquement le mur)
3) Analyser les impacts sur « le truc »
Qu’est ce qui est important dans ceZe expérience ?
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Enfin un truc sérieux ! 1) Placer un écran détecteur.
2) « Arroser » à coup de par4cules alpha
3) Analyser les impacts !
Qu’est ce qui est important dans ceZe expérience ?
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Qu’est ce qui était important dans ces expériences ?
1) La sonde ! Que ce serait-‐il passé si on avait lâché une balle en mousse dans le puit ? Lancé des par4cules alpha sur la maison? Mitraillé la feuille d’or au M60 ?
2) Le détecteur ! Il faut garder une trace pour pouvoir ensuite analyser les résultats !
3) La méthode d’analyse ! En effet, il faut interpréter les résultats… Par exemple comprendre que la feuille d’or est en fait principalement cons4tuée de vide, en dehors de quelque zone où les par4cules alpha rebondissent. La structure atomique est mise en évidence !
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FIN …
…de l’introduc4on !!
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2. Les sondes
Des balles
aux par4cules
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Caractéris4ques d’une sonde ? 1) La taille, en accord avec ce que l’on veut observer.
C’est la Longueur d’onde (ou l’énergie, c’est pareil) qui caractérise la sonde.
2) Le flux, la « fréquence de sondage » possible. Par exemple, si on ne peut envoyer qu’une par4cule alpha par minute, ça va prendre du temps !!* On parle de Luminosité pour un accélérateur.
*d’autant que certains évènements sont très rares ! 11
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Mais un accélérateur, c’est quoi ?
L’accélérateur est au noyau radioac4f ce que le M60 est au lance-‐pierre !
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Un accélérateur, c’est un assemblage complexe d’aimants et de cavités radiofréquences qui a pour but de transporter et accélérer un faisceau de par4cules chargées (électriquement).
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Mais d’abord …
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Dualité Onde-‐Par4cule
Extrait du cours de physique de Feynman, Introduc4on à la mécanique quan4que
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Qu’est ce que c’est la ‘longueur d’onde’ ?
On a dit que la sonde doit être plus pe4te que l’objet à étudier… oui, mais…
Equivalence Longueur d’onde/énergie 17
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Sonder la sonde…
Accrochez vous, là c’est plus compliqué !
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Auparavant, notre sonde restait intacte pendant l’expérience, et on la « récoltait » dans les détecteurs. On appelle ce genre de collision des collisions élas4ques.
Or malheureusement, ça ne suffit pas. Pour comprendre certains phénomènes, on change un peu de principe d’expérience, on fait des collisions inélas4ques entre une par4cule et son an4par4cule
Cible fixe Cible mobile
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• Lors de l’annihila4on par4cule-‐an4par4cule, l’énergie de masse et l’énergie ciné-que sont libérées, et de nouvelles par4cules apparaissent.
• Les produits de la collision n’ont pas des « sous-‐structure », et sont en général plus « gros ». Ce sont ces par4cules nouvelles qu’on veut « voir »
d
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Comment ça marche ?
Qu’est-‐ce que l’énergie ?
Comment passer de l’énergie à la masse ?
Et le rapport avec la longueur d’onde ? Rappel : équivalence longueur d’onde/énergie
De bonnes ques4ons, auxquelles il est très difficile de répondre en une heure…
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La méthode tradi4onnelle :
E=MC²
Oooh ! Comme c’est beau !
Aussi appelée « preuve par autorité scien4fique »…
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On veut voir des par4cules de plus en plus « lourdes », notre but est donc d’augmenter l’énergie de la sonde…
(Exactement comme si on voulait voir des par4cules de plus en plus pe4tes, on diminuerai la longueur d’onde)
Q : Comment donner de l’énergie à une par4cule ?
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3. Accélérer !
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Source
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Electrosta-que :
Limite : tension limitée, u4lisable une seule fois (un seul passage par par4cule). 27
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1er «Vrai» accélérateur, qui amène a des énergies supérieures au voltage maximum de l’installa4on.
Le champ accélérateur varie dans le temps.
La vitesse augmente beaucoup.
LINAC
Limite : longueur ! 28
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Les synchrotrons • Rond, pour réu4liser les « cavités »
• La vitesse n’augmente presque plus… Commentaires ? Une par4cule met même de plus en plus de temps pour faire un tour !
« Problème » du « rayonnement synchrotron »
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Guider les par4cules
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Collisionner ! • Guidage pour faire les tours… c’est presque facile. • Guider pour la focalisa4on…
Probabilité que 2 balles se
touchent ?? 31
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Les points clés d’un collisionneur
• Energie • Luminosité
Fiabilité…
Centre de contrôle :
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4. Détecteurs.
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Détecteurs
• BUT : reconstruire la collision, à par4r des « débris ».
• Posi4on et énergie de toute les par4cules créées.
• Pb : toutes les par4cules n’interagissent pas de la même façon.
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Un détecteur mul4couche !
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Détecter les électrons
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photons
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Protons
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neutrons
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Muons
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Jets
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neutrinos
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L’analyse de physique :
• Remonter des mesures d’énergie et de posi4ons des par4cules aux par4cules qui vivent trop peu de temps pour qu’on les voit, et ainsi comprendre ce qui ce passe…
• Compter les différents « événements », et comparer aux prédic4ons théoriques.
C’est le programme de cet après midi ! 45