La physique des particules et le LHC - Farida Fassi Master de Physique Informatique Rabat, Maroc 24-27th, May, 2010
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La physique des particules et le LHC Farida Fassi Master de Physique Informatique Rabat, Maroc 24-27th, May, 2010
La physique des particules
Comprendre les mécanismes qui
permettent aux constituants de Identifier les
la matière d’interagir composants ultimes
de la matière
Formuler et comprendre les lois
fondamentales qui régissent
notre univers
Atom nucleus nucleon quark
10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m
Les briques élémentaires
Famille des leptons
électron e muon m tau t
neutrino e neutrino m neutrino t
Famille des quarks
up charm top
down strange bottom
Un proton Les médiateurs des forces
e
Force Médiateur
électromagnétisme Photon g
faible W+, W-, Z
e
forte gluons (8)
gravitation graviton (?)
Des collisions pour sonder la matière
Particule incidente
Proton
Plus l’énergie de la particule incidente est grande, plus
elle va sonder des échelles minuscules
Les grands collisionneurs de particules sont des indispensables outilles
de la conversion de:
matière en énergie énergie en matière
Collision conversion de la Re-matérialisation de l’énergie en
matière en énergie ( E = mc2) de multiples particules
Le LHC-Large Hadron Collider
Un accélérateur géant qu’est construit dans un tunnel de 27 km de
circonférence installé à 100 m sous terre au CERN près de Genève
Deux faisceaux de protons
tournant en sens inverse
Le LHC est entièrement
Énergie prévue 14 TeV: échelle d’énergie supraconducteur – Il fonctionne à la
qui permet d’exploitation un grand program température de l’Hélium superfluide:
de physique de particule 1.9 K
Le LHC-Large Hadron Collider
Collisions dans 4 zones d’expériences
CMS
LHCb
ATLAS
ALICE
7
Collisions au LHC
faisceaux opposés
dans 2 tubes à vide
Proton Proton
2808 paquets par faisceau
1011 protons par paquet
Intervalle entre les croisements de
faisceaux: 25 ns 40 MHz 7.5 m
Collision de proton ~107 – 109 Hz
Nouvelle Physique: 10-5 Hz
1 évènement sur 1012-15 !
8
CERN Experiments
A Toroidal LHC
ApparatuS (ATLAS)
ATLAS et CMS ont des ambitions :
découvrir des nouvelles particules
élémentaires comme
Le boson de Higgs, une particule
vainement recherchée jusqu’à ce jour,
Trouver des particules
supersymétriques ou, Compact Muon
accéder à des dimensions
supplémentaires de l’espace ! Solenoid (CMS)
A Large Ion Collider Experiment (ALICE)
Ses ambitions : étudier la matière
nucléaire dans un état extrême de
température et de densité, la « soupe »
de quark et de gluon qui aurait existé,
quelques microsecondes après le Big Bang
B physics at the
LHC (LHCb)
Ses ambitions : l’étude de l’asymétrie matière -
antimatière en traquant spécifiquement les
particules contenant un quark b, appelé "beauté«
L’objectif ultime est de mieux comprendre
pourquoi l’Univers est constitué exclusivement de
matière, alors qu’à sa naissance matière et
antimatière étaient présentes à parts égales.
LHC et Big Bang Le LHC recrée des conditions d’énergie qui ont existé peu de temps après le Big Bang le LHC permet donc de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu au tout début de l’univers Plus l’énergie est élevée plus on se rapproche du Big Bang Schéma: © CERN
Ça représente quoi l’énergie au LHC ?
En Physique de particules, l'unité d'énergie utilisée est l'électronVolt (eV):
1 eV = 1.6 x 10-19 Joules
1 TeV = 1.6 x 10-19 x 1012 Joules = 1.6 x 10-7 Joules
1 TeV = l’énergie d’un moustique en vol !
L’énergie disponible lors d’une collision est donc
équivalente à celle de 14 moustiques en vol !
C’est la concentration de cette énergie dans un
volume minuscule qui est grande
Suffisamment pour faire fondre 500 kg de cuivre
Pour réaliser ces collisions, l’énergie
stockée dans les faisceaux est Chaque aimant est alimenté par
énorme : 2 TGV qui foncent l’un vers un courant de 10 000 Ampères
l’autre !La luminosité
La luminosité est une mesure du taux auquel les collisions
se produisent
Elle dépend du nombre de particules dans le faisceau
entrant en collision et de leur concentration en "grappes"
dans l'accélérateur
Plus la luminosité est grande, plus il y a d'événements
produits
Pour caractériser le
fonctionnement d’un collisionneur on
utilise la Luminosité
La luminosité est la capacité de la
machine à produire des collisions
utiles pour la physique
(Luminosité ≠ Intensité)Trigger -Signal de déclenchement
Dans les conditions nominales les données produites:
40 millions de croisements de paquets de protons par seconde
Qui correspondraient à 100 000 CDs écrits par seconde
Ce que nous pouvons nous permettre d'écrire:
nous choisissons et stockons ~200
événements par seconde,
soit 27 CDs écrits par minute.
Le trigger est chargé de faire un tri
extrêmement rapide en utilisant des
informations grossières ou partielles Reconstructed tracks
afin de ne garder que ce qui est with pt > 25 GeV
intéressant
Ce que nous publions :
Soit, quelques poignées d'événements.Les données brutes (RAW)
Les informations brutes provenant des
détecteurs doivent être traitées et
converties en données informatiques
Conversion analogique
digitale (ADC)
Traitement / filtrage /
réduction de bruit
Réduction des données
Génération de données
brute format RAW
Carte de traitement du
calorimètre d’ATLASVers l'analyse des données b-
jet
jet
q je
p b q
Le paire quark top se désintègrent en 4 jets, une W t
paire de bosons W t +
p
t
les particules stables dans l'état final μ, e, ν et W-
b
jets atteignent le détecteur l
- b-jet
Reconstruction des données brutes
Génération des energies appliquant
des algorithmes spécifiques
Prise en compte des constantes de
calibration
Identification des objets
Propriétés (interactions) connues
Analyse des
événements
reconstruits Représentation
sélection des des quantités
événements intéressantes
intéressants16
Type de données
RAW: données brutes: Contient signal des canaux de lecture du détecteur
ESD (event summary data): Contient des listes d'objets, et les détails des canaux
Pour les études détaillées des performances du détecteur
AOD (analysis object data): Les événements sont sous la forme de liste
d'objects rafinés . Utiles pour la sélection des événements intéressants
DPD: Structure des AOD
Contient un sous-ensemble des objets (thinning)
Contient un sous-ensemble des événements (skimming)
Collaboration production Group/user activity
Sert à faire
S le “plot final”
RAW DPDLa simulation
Joue un rôle essentiel dans la description détaillée des processus physiques
Meilleur moyen de la modélisation de phénomènes physique complexes
Indispensable pour l’exploitation des expériences
C’est la confrontation des résultats à notre modèle :
Redécouvrir les phénomènes déjà connus (compréhension du detecteur)
Trouver des déviations par rapport à notre modèle (découverte)
Simulation consiste des ingrédients :
Modéliser la “physique” (collisions, processus)
Modéliser l'interaction des particules dans le détecteur
Modéliser les signaux transmis par le détecteurLe LHC, pour comprendre quoi?
LHC est une énorme machine faite pour explorer des
domaines d’énergie totalement nouveaux
Plusieurs arguments de physique montrent que des phénomènes
nouveaux doivent se manifester aux énergies du LHC
La masse: L’asymétrie entre la matière et
Comment les particules élémentaires l’antimatière:
acquièrent-elles une masse ? Pourquoi l’antimatière est-elle
apparemment absente de l’univers ?
Le problème de la matière noire et
de l’énergie noire:
Pourquoi la force de gravitation
La matière ordinaire ne représente
est-elle si faible ?
que 4% de la densité d’énergie de
Un petit aimant qui attire un
l’univers – De quoi sont constitués les
trombone est plus fort que la Terre
96% restants ?
entière !19
Les défis du LHC
• Signal/bruit ~10-9 offline
• Large volumes de données
▫ En échange
▫ En stockage
10PB de data par an
• Ressources nécessaires:
▫ >200k cœurs, disk >45 PB
=>impossibilité de calcul
centralisé.
• Nécessité d’une organisation
mondiale distribuée
▫ ==> GRILLELes Ressources dans le monde: MONARC Pour agréger les ressources Fourniture de l’organisation et des mondiale: Architecture pyramidale en services pour créer un système de Tiers pour un calcul de type distribué calcul cohérent sur une architecture Descriptif et fourniture des « hétérogène » fonctionnalités et de la connectivité
Architecture et Rôle
Tier0 (CERN) Tier1
Prise de données Stockage des données Tier-2
Reconstruction initiale Re-processing Simulation
Distribution des données Analyse Analyse finaleConclusion et prospectives Le LHC est une machine extrêmement complexe faisant intervenir de très nombreux éléments actifs Le LHC fournit des conditions, pour qu’une révolution de la Physique de Particules a l échelle du TeV pourra avoir lieu La physique des particules est une école de patience illusion et patience sont indispensable La physique de particules été un moteur de développement et déploiement de la grille de calcule Les Grilles ont prouvé qu’elles étaient nécessaires aux nouvelles échelles de calcul demandées
Liens Site grand public du LHC au CERN : http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html Le guide du LHC : http://cdsweb.cern.ch/record/1164451/files/CERN-Brochure- 2009-003-Fre.pdf Visualiser l’état de fonctionnement du LHC en direct : http://op- webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1 Le CERN sur Twitter : http://twitter.com/CERN
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