Archives mensuelles : octobre 2010

LHC : Objectif 2010 atteint

La semaine dernière, le CERN annonçait fièrement que le LHC avait atteint ses objectifs pour 2010 : la machine a délivré 2 inverse picobarns aux différents détecteurs, or, la plupart des gens n’ont jamais entendu le mot « picobarn » de leur vie… La raison est simple: peu de gens sont physiciens des particules !

 CMS event

Collision proton-proton dans le détecteur CMS du LHC le 9 Juillet 2010. © CERN.

 Je n’appartiens pas non plus à la catégorie des physiciens des particules, néanmoins j’entends souvent ces mots au CERN lors de communiqués officiels comme celui-ci.  J’ai donc cherché à savoir ce que se cachait derrière ces mots abscons pour nous autres, les personnes « normales ».

Le Barn

Le barn est tout simplement une unité de surface étant de l’ordre de la section géométrique du noyau d’un atome. En gros, vous prenez le noyau d’un atome (ayant un rayon d’environ 10-12 cm), vous le coupez en deux et la surface de cette coupe est environ égale à 1 barn, soit 0,00000000000000000000001cm², ou plus simplement 10-24 cm². Par exemple, le noyau d’un atome d’uranium (un des plus gros noyaux) possède une section géométrique de 1,5 barn.

Section efficace et géométrique

Le problème c’est que lorsqu’on observe des réactions nucléaires (interactions entre les noyaux des atomes), ou des collisions de particules entres elles ou contre des cibles, les atomes paraissent avoir une section plus grande ou plus faible selon les phénomènes observés. Pour rendre compte de ce problème, les physiciens ont alors introduit une section dite efficace, plus significative que la section géométrique réelle des noyaux des atomes. La section efficace d’un noyau, représentée par la lettre grecque sigma, n’est pas constante pour une particule donnée et est finalement assez peu dépendante de la taille réelle du noyau mais varie significativement selon sa vitesse et le type de réaction ou collision.

Cette section efficace rend compte de la probabilité d’interaction d’une particule pour une réaction précise (une collision, une réaction nucléaire, etc). Plus la section efficace est élevée, plus la réaction étudiée a des chances de se réaliser. Par exemple, la section efficace de l’absorption d’un neutron lent dans la matière est supérieure à 1000 barns alors que la section efficace des phénomènes étudiés dans les collisions des accélérateurs de particules comme le LHC est de l’ordre du picobarn (10-12 barn), voir du femtobarn (10-15 barn).  Un femtobarn, c’est comme si les noyaux étaient un million de milliards de fois plus petits (et dieu sait s’ils sont déjà petits).

Autant dire que les accélérateurs recherchent des évènements extrêmement rares à observer dans une collision. Prenons le cas du LHC et du fameux boson de Higgs tant recherché. Nous ne connaissons pas encore sa masse exacte, si elle existe, mais on peut toutefois calculer la section efficace de différents phénomènes pouvant lui donner naissance dans le LHC. La figure ci-dessous nous dit que la section efficace du boson de Higgs pourrait se situer entre 10 picobarns et 0,1 femtobarn selon les différents phénomènes possibles si sa masse est comprise entre 300 GeV et 1000 GeV. Autrement dit: Il faut enregistrer au moins dix milles milliards de collisions pour avoir
la chance de voir un Higgs !!!

 Higgs Crosssection

Sections efficaces possibles pour la production d’un boson de Higgs dans le LHC en fonction de la masse de ce dernier. Dan Green, Fermilab (2005)

 La luminosité

On aura donc compris la chose suivante: ce qui intéresse les accélérateurs de particules, c’est de produire le plus de collisions possibles.

Pour évaluer cette capacité, on calcule une grandeur appelée luminosité. Le principe en est simple : compter le nombre de particules qui se croisent dans un cm² à chaque seconde. Ainsi, la luminosité est calculée par la formule suivante :
Eq luminosite

avec f la fréquence de croisement des paquets de particules, n le nombre de particules par paquet et A la section géométrique du faisceau de particules. Dans le cas du LHC, au point nominal, on obtient :

Eq lum LHC

Ce grand chiffre signifie que dix millions de milliards de milliards de milliards de particules se croisent dans un centimètre carré toute les secondes dans le LHC…

Luminosité intégrée

Le paramètre intéressant à calculer par la suite est naturellement la luminosité intégrée qui correspond à la luminosité accumulée dans le temps (c’est-à-dire la luminosité multipliée par le temps de collision de la machine). Si on reprend le cas du LHC au point de fonctionnement maximum, en 90 secondes, la machine peut ainsi fournir une luminosité intégrée de 1,3*1034 * 90 = 1036 cm-2. Pour plus de facilité, on convertit ce chiffre en barn inverse (1 b-1 = 1024 cm-2), on obtient alors une luminosité intégrée de 1012 b-1 = 1 pb-1, soit un inverse picobarn pour 90 secondes de collision dans le
LHC.

ATLAS lum

Le 10 août dernier, un détecteur de particules du LHC, ATLAS, annonçait avoir franchis la barre de 1 inverse picobarn. © ATLAS.

Etat des lieux du LHC

En ce mois d’octobre, le LHC a accumulé 2 inverse picobarns depuis sa mise en route fin mars 2010 car la machine ne fonctionne pas encore à sa luminosité maximale. Cependant, cette machine fonctionne de mieux en mieux : entre mars et août, le LHC avait fournit environ 1 inverse picobarn alors que  la semaine dernière, il lui a fallu seulement 13h pour fournir un autre inverse picobarn (la luminosité maximale était de 1032, soit 100 inverse microbarns par seconde). A titre de comparaison, il a fallu 2 ans au Tevatron  pour atteindre cette luminosité (l’autre grand accélérateur de particules aux
Etats-Unis).

L’objectif du LHC pour 2010 a ainsi été accompli en ce mois d’octobre (2 inverse picobarns). Pour 2011, la machine doit atteindre un total de 1 inverse femtobarn, soit 500 fois plus. Il ne faut pas oublier que la plupart des particules recherchées par les détecteurs du LHC sont  produites par ,des collisions ayant une section efficace entre 1 picobarn et 1 femtobarn, il faudra donc attendre que cette quantité de données soit dépassée pour pouvoir annoncer des résultats sérieux. A suivre en 2011…

 LHC_lumi-copie-1.jpg

Etat du LHC en ce dimanche 24 octobre au soir : les détecteurs ont une luminosité d’environ 100 inverse microbarn par seconde chacun.

Charpak et sa chambre à fils

Georges Charpak nous a quitté cette semaine et je veux lui rendre hommage, à lui et à sa fameuse chambre à fils inventée au CERN en 1968.

 charpak cern

Georges Charpak au CERN derrière une chambre proportionnelle multifilaire (© CERN 1973)

 L’homme

Georges Charpak fut un des symboles d’intégration pour la France. Immigré polonais dans les années 30, il devint résistant pendant la seconde guerre mondiale et fut déporté dans le camp de concentration de Dachau. Il survécut et rentra en France à la libération où il fut naturalisé français en 1946 et intègra l’école des Mines. Il fit ensuite son doctorat de physique avec Frédéric Joliot-Curie, rentra au CNRS puis au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire à Genève) en 1963. En 1968, il inventa sa
fameuse chambre à fils et obtint le prix Nobel de physique en 1992. C’est ce que j’appelle un succès d’intégration pour la France qui devrait rester une terre d’accueil et
d’éducation comme l’a si souvent dit Charpak.

Georges Charpak était apprécié de tous et était un homme modeste mais engagé dans la Science et dans la société où il luttait contre les armes nucléaires et supportait de nombreux projets d’éducation avec son projet la main à la pâte. Je ne vais pas vous faire une biographie complète ici mais pour ceux qui veulent mieux connaitre cet homme de science, je vous suggère cette vidéo de 20 minutes faite l’année dernière à l’occasion de son 85ème anniversaire au CERN où Charpak nous raconte rapidement sa vie : http://cdsweb.cern.ch/record/1167500.

 Avant Charpak : les chambres à bulles

Jusque dans les années 70, la physique des particules se faisait « à la main » dans le sens où les collisions de particules issues des accélérateurs étaient principalement réalisées dans des chambres à bulles.

Une chambre à bulles consiste à remplir de liquide une enceinte close. On utilisait généralement de l’hydrogène liquide qui était maintenu en dessous de -253°C pour rester liquide. On faisait en sorte de réaliser les collisions devant ces chambres où les particules laissaient de petites bulles dans leurs sillages.

bulle trajectoire

Production de jets de particules dans la première chambre a bulles a hydrogène liquide du CERN ; elle ne mesurait que 30 cm de diamètre (©CERN 1970).

On prenait alors des photos de ces bulles pour identifier la trajectoire des différentes particules. Par la suite, la courbure des trajectoires et la densité des bulles permettaient d’identifier les différentes particules. Evidemment, toutes ces mesures se faisaient à la main sur des tables de projection où les différentes photos pouvaient défiler rapidement.  La plus grande chambre à bulles du CERN, BEBC (Big European Bubble Chamber) qui
mesurait 3,7 m de diamètre et 4 m de haut a fourni durant sa vie 6,3 millions de photographies (3 000 km de film) analysées entre 1973 et 1984 par près de 600 chercheurs dans le monde.

analyse bulles

A gauche : Installation de BEBC, la plus grande chambre à bulles du CERN (© CERN 1971). A droite : femmes analysant à la main les trajectoires de particules des chambres à bulles sur des tables de projection (© CERN 1962).

 Charpak : la chambre à fils

A la fin des années 60, les premiers systèmes électroniques à base de transistors apparaissent et font miroiter des possibilités gigantesques en termes de traitement automatique des données: c’est le balbutiement de l’informatique. Or, les physiciens des hautes énergies réalisent de grandes expériences produisant de très nombreuses données encore difficiles à traiter comme avec les chambres à bulles.

En 1968, Georges Charpak qui était chercheur au CERN invente  alors  un nouveau genre de détecteur de particules qui allait tout simplement révolutionner l’avenir de la physique des particules : la chambre proportionnelle multifilaire, ou plus simplement la chambre à fils, pour laquelle Charpak sera récompensé par le prix Nobel de physique en 1992.

Le principe est en somme relativement simple et facile à concevoir. Une enceinte (chambre) est remplie d’un gaz noble (comme de l’Argon) puis des fils électriques parallèles sont tendus à l’intérieur de manière à faire une sorte de maillage dans un plan.
L’extrémité des fils est ensuite connectée à un générateur de tension électrique à une borne positive (anodes) et des plaques conductrices sont intercalées entre les plans des
fils et sont reliées à une borne négative (cathodes).

 chambre fil

Principe général d’une chambre à fils (© CERN).

 Lorsqu’une particule chargée (c’est-à-dire portant une charge électrique comme un électron ou un muon) traverse la chambre, cette particule ionise le gaz noble (elle « casse » des atomes de gaz en électrons chargés négativement et en ions chargés
positivement). Les électrons sont alors attirés par les anodes (reliés à une borne positive) et les ions par les cathodes (reliés à une borne négative). Au bout de l’anode, on place un
amplificateur pour permettre la mesure du courant électrique engendré par le déplacement des électrons dans le fil. La mesure de courant sur chaque fil peut être par la suite analysée dans un ordinateur afin de reconstruire la trajectoire de la particule comme avec une chambre à bulles mais de manière automatique.

Ce nouveau type de détecteur a permis de multiplier par un facteur 1000 la vitesse de traitement des données par rapport aux chambres à bulles où il fallait compter « à la main » les particules.

Les chambres à fil aujourd’hui

Le dernier accélérateur de particules du CERN dénommé Large Hadron Collider, ou LHC, permet de produire pas moins de 40 millions de collisions par seconde pendant plusieurs heures. Ces collisions sont réalisées au centre de 4 gigantesques détecteurs. Les détecteurs du LHC utilisent différentes techniques dont des chambres à fils pour détecter des particules chargées comme les muons.

Toutes les collisions du LHC sont  triées automatiquement par des systèmes électroniques puis analysées et reconstruites en 3 dimensions par des systèmes informatiques mobilisant plus de 100 000 processeurs répartis sur 170 centres de calcul dans 34 pays à travers le monde. A chaque seconde, le LHC fournit ainsi autant de données que la grande chambre à bulles BEBC aurait pu fournir pendant 60 ans d’exploitation.

muon-Alice

A gauche : Vérification d’une chambre à fils permettant de détecter des muons pour l’expérience ALICE du LHC  (© CERN 2004). A droite : premiers muons détectés par les chambres à fils de l’expérience ALICE lors des premières collisions dans le LHC (© CERN 2009).

  Le principe de la chambre à fils a trouvé d’autres applications en dehors de la physique des particules comme en imagerie médicale. En effet, une méthode très innovante basée sur le principe des chambres à fils permet aujourd’hui de reconstruire en 3D  la colonne vertébrale et le bassin d’un patient avec une précision inégalée (voir ce
lien pour plus de détails).

rachis-3D

Image en 3D de la colonne vertébrale d’un patient issue du système Radiologique Ultra Basse Dose Eos mis au point à partir des travaux de Charpak sur les chambres à fils (© AP-HP)