28 Mai 2003 Yves Schutz 1 ALICE A Large Ion Collider Experiment.
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28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 11
ALICEALICE
A Large Ion Collider A Large Ion Collider ExperimentExperiment
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 22
ALICEALICE
Le club de ceux qui fracassent des noyaux Le club de ceux qui fracassent des noyaux atomiques les uns sur les autres …atomiques les uns sur les autres …• Pourquoi ?Pourquoi ? Tenter de dissoudre le vide et de remonter le Tenter de dissoudre le vide et de remonter le
tempstemps• Comment ?Comment ? Chauffer et comprimer la matière Chauffer et comprimer la matière• ObserverObserver un phénomène quiun phénomène qui
dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 15 dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 15 milliards d’années écoulées depuis la naissance de milliards d’années écoulées depuis la naissance de l’univers, l’univers,
crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au cœur du soleil et cœur du soleil et
compacte la matière de façon telle que la pyramide de compacte la matière de façon telle que la pyramide de Kheops tiendrait dans une tête d’épingle. Kheops tiendrait dans une tête d’épingle.
Recréer la “couleur”
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 33
Au coeur de la matièreAu coeur de la matière
La matière est constituée de particules « élémentaires », la La matière est constituée de particules « élémentaires », la masse est concentrée dans le noyau atomique.masse est concentrée dans le noyau atomique.
La matière La matière stable stable de l’univers est constituée de 4 particules de l’univers est constituée de 4 particules élémentairesélémentaires
O(10-10 m) O(10-15 m) < O(10-19 m)
QUARKS LEPTONS
é
é
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 44
Le Modèle StandardLe Modèle Standard
• La théorie des briques de l’univers et des forces qui les gouvernent:
12 constituants élémentaires
4 interactions
graviton photon W, Z gluon
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 55
Les questions ouvertesLes questions ouvertes Comment les particules ont-elles acquis leur Comment les particules ont-elles acquis leur
masse ? : mmasse ? : m,g,g=0, m=0, mtt = 340.000 m = 340.000 me e !! Existe-t-il une force unique qui unifierait Existe-t-il une force unique qui unifierait
toutes les autres ?toutes les autres ? Pourquoi existe-t-il 3 familles de particules de Pourquoi existe-t-il 3 familles de particules de
matière ?matière ? Où est passée l’anti-matière ?Où est passée l’anti-matière ? Pourquoi l’univers stable est-il incolore ?Pourquoi l’univers stable est-il incolore ? Quelle est la nature du vide ?Quelle est la nature du vide ? Quelle est la forme originelle de la matière ?Quelle est la forme originelle de la matière ? Comment la masse vient aux objets qui nous Comment la masse vient aux objets qui nous
entourent ?entourent ?
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 66
Chromodynamique Quantique: la Chromodynamique Quantique: la théorie de l’interaction fortethéorie de l’interaction forte
Une théorie formelle:Une théorie formelle:• Les quarks sont porteurs d’une charge appelée Les quarks sont porteurs d’une charge appelée ccoouulleeuurr; il y a 3 ; il y a 3
couleurs couleurs RR, , BB, , VV
• L’interaction entre deux quarks s’accompagne de l’échange d’un L’interaction entre deux quarks s’accompagne de l’échange d’un gluon (mgluon (mgg=0) porteur d’une charge de couleur et de son anti-=0) porteur d’une charge de couleur et de son anti-charge !charge !
• L’interaction forte est forte à grande distance et faible à petite L’interaction forte est forte à grande distance et faible à petite distance !distance !
• Le vide est rempli de paires virtuelles quarks et anti-quarksLe vide est rempli de paires virtuelles quarks et anti-quarks
• Les phénomènes ne sont calculables que lorsque l’interaction est Les phénomènes ne sont calculables que lorsque l’interaction est faible !faible !
MFFDiL aa
ˆ~
4
1
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 77
Chromodynamique Quantique: la Chromodynamique Quantique: la théorie de l’interaction fortethéorie de l’interaction forte
Des additifs empiriques:Des additifs empiriques:
• Les quarks (de valence) sont Les quarks (de valence) sont emprisonnés dans les hadrons (baryons emprisonnés dans les hadrons (baryons et mésons) de façon à former des objets et mésons) de façon à former des objets incolores incolores
• L’interaction des quarks de valence avec L’interaction des quarks de valence avec le vide contribue à la masse des hadronsle vide contribue à la masse des hadrons
• Il n’est pas possible d’isoler une charge Il n’est pas possible d’isoler une charge de couleurde couleur
q q
F=kR1
q q
F=kR2
q q
F=kr2
F=kr1
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 88
Big Bang …Big Bang …Jusqu’à 10-6 secondesaprès sa naissance toute la matière de l’Univers est colorée: les quarks et les gluons se meuvent librement.
Lorsque l’Univers s’est refroidi à environ 1012 K, il devient incolore: quarks et gluons sont emprisonnés pour toujours dans des particules dont il ne reste aujourd’hui que les protons et les neutrons.
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 99
Refaisons le chemin inverseRefaisons le chemin inverse
Pourquoi ?Pourquoi ? • Observer l’interaction forte à l’œuvreObserver l’interaction forte à l’œuvre
Comment les constituants élémentaires de Comment les constituants élémentaires de la matière interagissentla matière interagissent
Comment cette interaction a donné Comment cette interaction a donné naissance aux objets composites formant naissance aux objets composites formant l’univers l’univers
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1010
Refaisons le chemin inverseRefaisons le chemin inverse Comment ?Comment ?
• En chauffant le vide et ainsi créer dans un volume En chauffant le vide et ainsi créer dans un volume étendu une densité d’énergie suffisante étendu une densité d’énergie suffisante
• Les collisions entre ions lourds accélérés à la vitesse de Les collisions entre ions lourds accélérés à la vitesse de la lumière fournissent les « calories » nécessairesla lumière fournissent les « calories » nécessaires
Compression Chaleur Plasma de quarks et gluons
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Laboratoire
2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons
1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale
Le mini Big BangLe mini Big Bang
3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte: la matière tend vers l’équilibre
v/c = 0,99999993Contraction de Lorentz : 7 fm 0,003 fm
t~10-24 sT~5×1012 K
4. Le système de dilue et se refroidit
5. Quarks et gluons condensent pour former des hadrons t~10-23 s
T~1012 K
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1212
Mini Big Bang : le filmMini Big Bang : le film
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1313
Accélérer des noyauxAccélérer des noyaux Les noyaux (atomes Les noyaux (atomes
débarrassés de leur cortège débarrassés de leur cortège d’électrons) sont accélérés d’électrons) sont accélérés par un champ électriquepar un champ électrique
La trajectoire des noyaux est La trajectoire des noyaux est courbée par des aimants courbée par des aimants dipolairesdipolaires
Le flux des noyaux est Le flux des noyaux est focalisé par des aimants focalisé par des aimants quadrupolairesquadrupolaires
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1414
LHC: champion du mondeLHC: champion du monde• 27 km de circonférence• 40 m sous terre• Cryogénie à 1.9 K
×10
12 Accélère p @ 7×10Accélère p @ 7×101212 eV et ions @ 2,76×10 eV et ions @ 2,76×101212 eV (99,999993% c) eV (99,999993% c) Une collision libère jusqu’à 0,2×10Une collision libère jusqu’à 0,2×10-3-3 Joules, T=1,000×10 Joules, T=1,000×1099 K K ~10~1088 ions croisent 10 ions croisent 1088 ions 10 ions 1066 fois par seconde fois par seconde Seulement 8.000 collisions chaque seconde, dont 1% produisent des Seulement 8.000 collisions chaque seconde, dont 1% produisent des
événements « extraordinaires » événements « extraordinaires »
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1515
Thermodynamique : un cas connu Thermodynamique : un cas connu l’eaul’eau
• Diagramme des phases ; Équation d’état (PV/T = Cte)• Phases et Transitions de phase• Ordre des transitions et point triple
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Thermodynamique de la matière Thermodynamique de la matière
Nous sommes ici
Le Big Bang a démarré ici
Les collisions de Pb au LHC nous emmèneront là
Et nous étudierons cette trajectoire
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QCD nous dit…QCD nous dit…
MFFDiL aa
ˆ~
4
1
Tc 173 MeV, mq0, Nf=2,3 Ordre de la transition : cross over c 0.3-1.3 GeV/fm3
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1818
Observer le phénomèneObserver le phénomène Juste pour rire …Juste pour rire …
• Imaginons notre terre gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de glace ; Imaginons notre terre gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de glace ; • La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons ; La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons ; • Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans certaines Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans certaines
conditions de température, sous forme liquide ;conditions de température, sous forme liquide ;• La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les uns La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les uns
contre les autres ; contre les autres ; • Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de glaçons Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de glaçons
contenant chacun 100 millions de glaçons ; contenant chacun 100 millions de glaçons ; • Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par seconde ; Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par seconde ; • Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde 8.000 collision glaçons-glaçons Ils arrivent ainsi à réaliser chaque seconde 8.000 collision glaçons-glaçons
;;• L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur
Mars…Mars…
En divisant les dimensions par un facteur 10En divisant les dimensions par un facteur 101313, nous devenons , nous devenons l’observateur du LHC.l’observateur du LHC.
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1919
ALICE : Pour répondre à ce défiALICE : Pour répondre à ce défi
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2020
Le programme imposéLe programme imposé Environ 16.000 particules traversent le détecteur à chaque Environ 16.000 particules traversent le détecteur à chaque
collision ; la densité atteint, près du point d’interaction 90 collision ; la densité atteint, près du point d’interaction 90 particules au cmparticules au cm22 ! !
Mesurer chaque particule individuellement: les compter, localiser Mesurer chaque particule individuellement: les compter, localiser leur trajectoire, identifier sa nature, déterminer son 4-moment ; leur trajectoire, identifier sa nature, déterminer son 4-moment ;
Localiser leur origine à une centaine de Localiser leur origine à une centaine de m près ;m près ;
Identifier les événements intéressants et rares en moins de 100 Identifier les événements intéressants et rares en moins de 100 s s ;;
Stocker les données 1,2 Go/s (2 CD/s) et 1 Po/an (une pile de CD Stocker les données 1,2 Go/s (2 CD/s) et 1 Po/an (une pile de CD de 4 Km) ;de 4 Km) ;
Donner accès aux données pour dépouillement à 1000 physiciens Donner accès aux données pour dépouillement à 1000 physiciens répartis dans 80 instituts de 28 pays différents.répartis dans 80 instituts de 28 pays différents.
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2121
Un champ magnétiqueUn champ magnétique
Identifier la charge
Mesurer l’impulsion
Impulsion plus grande
Impulsion plus petite
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2222
Des matériaux sensibles sur le Des matériaux sensibles sur le trajet des particulestrajet des particules
t=0 t=t2t=t1 t=t3 t=t4
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2323
Trajectographe interne (ITS): p, id
ALICE : Beaucoup de cellules partout ALICE : Beaucoup de cellules partout ……
Pour localiser, segmenter le système en des centaines de millions de Pour localiser, segmenter le système en des centaines de millions de cellules sensibles ; cellules sensibles ;
Entourer le point d’interaction par des enveloppes de détecteurs Entourer le point d’interaction par des enveloppes de détecteurs
Chambre à projection temporelle (TPC) : p,
pid
Détecteur à rayonnement de transition (TRD):
électrons
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2424
… … et quelques détecteurs spécialiséset quelques détecteurs spécialisés
Spectromètre de muons :• Absorbeur passif• B dipole• Trajectographe• Filtre• Déclencheur
Photons
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2525
Comment ça marcheComment ça marche Le trajectographe interne : 6 couches à localisation 2D de diodes SiLe trajectographe interne : 6 couches à localisation 2D de diodes Si
m
Si-pSi-n
-HV
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2626
3 technologies Si3 technologies Si
256 anodes, 294 m pitch
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2727
Comment ça marcheComment ça marche Le trajectographe principal : 1 chambre à projection temporelleLe trajectographe principal : 1 chambre à projection temporelle
-HVE E
Temps d’arrivée
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2828
TPC ALICETPC ALICE
Readout plane segmentation
18 trapezoidal sectors
each covering 20 degrees in azimuth
EE
510 cm
EE
88s
GAS VOLUME88 m3
DRIFT GAS90% Ne - 10%CO2
Pb P
E
E
5 m
5.6 m
1.6
400 V / cm
NE / CO2 88s
End plate
Central electrode
Drift volume
Co2 insulation
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2929
Identification des particulesIdentification des particules
Mesure de la perte d’énergie
Trajectographie: charge et impulsion
Mesure du temps de vol
p pp p
K K -
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Encore plus fort Encore plus fort Distinguer électrons et pions relativistesDistinguer électrons et pions relativistes
• Lorsque une particule relativiste traverse un milieu inhomogène un rayonnement X est émis
• Choisir le milieu de façon à ce que seuls les électrons génèrent le rayonnement de transition
• Détecter à la fois la particule chargée et le rayonnement X
• Chambre multi-fils traditionnelle remplie d’un gaz lourd (Xe)
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Et pour finirEt pour finir Dense comme le plomb et transparent comme le Dense comme le plomb et transparent comme le
cristal pour arrêter les photons cristal pour arrêter les photons • Les photons se matérialisent en une cascade d’électrons et positons
• Les électrons excitent les atomes du cristal
• Les atomes se désexcitent en émettant des rayonnements UV
•Les rayonnements UV sont détectés au bout du cristal par une photodiode
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3232
Des volts aux octetsDes volts aux octets
Le signal de chaque cellule (~16 millions) est traité Le signal de chaque cellule (~16 millions) est traité par des systèmes électroniques hautement par des systèmes électroniques hautement miniaturisés ;miniaturisés ;
Le signal électrique est digitalisé pour être traité Le signal électrique est digitalisé pour être traité par l’informatique ;par l’informatique ;
L’information est véhiculée par fibres optiques.L’information est véhiculée par fibres optiques.
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3333
Concevoir le détecteurConcevoir le détecteur Simulations : Simulations :
• Générer des événements physiques selon l’état de l’art de Générer des événements physiques selon l’état de l’art de la théoriela théorie
• Construire un détecteur virtuel et simuler sa réponse selon Construire un détecteur virtuel et simuler sa réponse selon nos connaissances des interactions particules-matièrenos connaissances des interactions particules-matière
Outils :Outils :
• Techniques de programmation : orientées objetsTechniques de programmation : orientées objets
• Énormes puissances de calcul et moyens de stockage : Énormes puissances de calcul et moyens de stockage : calcul distribuécalcul distribué
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3 million volumes
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3535
Ce à quoi il faut s’attendreCe à quoi il faut s’attendre
60 << 62 Une collision : Pb+Pb @ 5.5 TeV
dN/dy = 8,000
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3636
Ce à quoi il faut s’attendreCe à quoi il faut s’attendre
Une collision : p+p @ 14 TeV
20 collisions se superposent
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3737
Pour traiter les donnéesPour traiter les données
Yerevan
CERN
Saclay
Lyon
Dubna
Capetown, ZA
Birmingham
Cagliari
NIKHEF
GSI
Catania
BolognaTorino
PadovaIRB
Kolkata, India
OSU/OSCLBL/NERSC
Merida
Bari
Nantes
Distribuer les tâches :• les ressources CPU• le stockage des données
Sont réparties à travers le monde
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3838
Exemple de mesure (1)Exemple de mesure (1)1. Matière ordinaire1. Matière ordinaire
Impulsion transverse
dN
/dp
Fonction de fragmentation
dN
/d
Angle relatif
O 9O 18O
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3939
Exemple de mesure (1)Exemple de mesure (1)2. Matière de quarks2. Matière de quarks
Impulsion transverse
dN
/dp
Fonction de fragmentation
dN
/d
Angle relatif
O 9O 18O
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 4040
Exemple de mesure (2)Exemple de mesure (2)1. Matière ordinaire1. Matière ordinaire
Masse
dN
/dp
J/cc
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 4141
Exemple de mesure (2)Exemple de mesure (2)2. Matière de quarks2. Matière de quarks
Masse
dN
/dp
J/cc
28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 4242
ALICE aujourd’huiALICE aujourd’hui