28 Mai 2003 Yves Schutz 1 ALICE A Large Ion Collider Experiment.

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28 Mai 2003 28 Mai 2003 Yves Schutz Yves Schutz 1 ALICE ALICE A Large Ion Collider A Large Ion Collider Experiment Experiment

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ALICEALICE

A Large Ion Collider A Large Ion Collider ExperimentExperiment

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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”

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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

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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

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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 ?

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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

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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

qq

F=kr1

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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.

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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

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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

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Mini Big Bang : le filmMini Big Bang : le film

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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

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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 » 

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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~

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1

Tc 173 MeV, mq0, Nf=2,3 Ordre de la transition : cross over c 0.3-1.3 GeV/fm3

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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.

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28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 1919

ALICE : Pour répondre à ce défiALICE : Pour répondre à ce défi

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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.

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Un champ magnétiqueUn champ magnétique

Identifier la charge

Mesurer l’impulsion

Impulsion plus grande

Impulsion plus petite

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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

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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

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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

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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

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28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 2626

3 technologies Si3 technologies Si

256 anodes, 294 m pitch

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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

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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

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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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28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3030

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

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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.

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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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28 Mai 200328 Mai 2003 Yves SchutzYves Schutz 3434

3 million volumes

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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

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Ce à quoi il faut s’attendreCe à quoi il faut s’attendre

Une collision : p+p @ 14 TeV

20 collisions se superposent

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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

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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

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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

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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

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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

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ALICE aujourd’huiALICE aujourd’hui