A la recherche des particules étranges avec ALICE - Indico

A la recherche des particules
étranges avec ALICE
Merci beaucoup à Y. Schutz et D. Hatzifotiadou pour le matériel scientifique et pour l’aide
CERN MasterClass 05 Avril
2014
G De Cataldo, INFN , Bari, It.
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Les pays dans la
collaboration ALICE
36 pays, 136 Institutions et 1200 collaborateurs
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Les scientifiques d’ALICE
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3
Le program de physique d’ALICE

Le club de ceux qui fracassent des noyaux
atomiques les uns sur les autres …
• Pourquoi ? Tenter de dissoudre en soupe les gluons et
les quarks (QGP) et de remonter le temps à une
millionième de s après le BB;
• Comment ? Chauffer et comprimer la matière nucléaire
(collision de noyaux de plomb dans LHC);
• Observer un phénomène qui



dure dans une seconde autant qu’un éclair dans les 14
milliards d’années écoulées depuis la naissance de
l’univers,
crée une température égale à 100.000 fois celle régnant au
cœur du soleil et
compacte la matière de façon telle que la pyramide de
Kheops tiendrait dans une tête d’épingle.
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Le mini Big Bang :
Refaisons le chemin inverse
Laboratoire
1. Les noyaux (matière
ordinaire) accélérés vont
subir une collision
frontale
2. L’énergie de la collision
se matérialise sous forme
de quarks et gluons
3. Les quarks et gluons
libérés interagissent sous
l’effet de l’interaction
forte: le QGP. La matière
tend vers l’équilibre
4. Le système se dilue et
se refroidit
-24 s
t~10
t~10-23
s
12
T~5×10
K
T~1012 K
v/c = 0,99999993
Contraction de Lorentz : 7 fm  0,003 fm
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5. Quarks et gluons
condensent pour former
des hadrons, parmi eux
des protons: la matière
5
ordinaire
Mais qu’observe-t-on avec ALICE et comment ?
ALICE setup
HMPID
TRD
PMD
TPC
ITS
MUON SPEC.
TOF
PHOS
FMD
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Collisions de Plomb 2011
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Le QGP et les particules étranges
protons

Collision entre protons
• Avant Il n’y a que des quarks de type u et d.
Après la collision il y aura des u,d mais aussi
s,c.. Les particules étranges contiennent le
quark s.
Noyaux de plomb

b
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Collision centrale entre noyaux de plomb Pb-Pb
• Même mélange de quarks sauf que pendant la
collision il y a le QGP! (Kheops tiendrait dans
une tête d’épingle!!). Donc étudier le quark s
dans les deux cases nous permet de savoir plus
sur le QGP!!
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Et maintenant un peu de physique:
Géométrie d’une collision Pb-Pb
La somme des amplitudes des
signaux dans le détecteur nommé
V0 est bien représentée à travers
un model physique simple (ligne
rouge) dit de Glauber.
b
 Particules produites
périphériques
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central
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Etrange! N’est pas?
Les particules étranges interagissent
fortement avec la matière mais elles se
désintègre ‘faiblement’ dans ~10-10 s au
lieu de ~ 10-23s.
Etrange! N’est pas?
K0s→ +-
 -p
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Ξ-→π-Λ→ - p G De Cataldo, INFN , Bari, It.
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Premiers resultats PbPb au LHC


QGP behaves as a perfect liquid at the LHC;
Strangeness enhancement;
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Compléments de Physique pour
Identifier les particules
Quantité de mouvement (p)
Un moustique s’approche à la vitesse de 40 km/h. La collision sera indolore !
Un camion s’approche à la vitesse de 40 km/h. La collision sera fatale !!! (écartez vous!)
La masse du camion joue un rôle important.
Cependant, un camion à l’arrêt ne vous fait pas peur.
C’est donc non seulement la masse, mais aussi la vitesse qui importe c’est-à-dire la quantité de
mouvement.
quantité de mouvement (p) est la grandeur physique associée à la vitesse (v) et à la masse (m)
d'un objet:
p = (pxi+pyj+pzk) = mv (classique)
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Compléments de Physique pour
Identifier les particules
Energie
L’énergie cinétique (énergie liée à la vitesse) d’un proton au repos accéléré par une différence de
potentiel de 1 Volt:
Ek = qV = (½ mpv2) (classique)
q=1 (charge élémentaire; 1.6 x10-19 C) V=1 Volt E= 1 eV = 1.6x10-19 Joule
Dans LHC des champs électriques accélèrent les protons! Chaque faisceau de protons @7
TeV a la même énergie qu’un TGV de 400 t lancé à 150 Km/h!! Cette énergie est suffisante
pour fondre 500 kg de cuivre!
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Que veut dire identifier le
particules?


Pour Identifier une particule il faut 1) mesurer la quantité de
mouvement, 2) la charge électrique et enfin calculer 3) la
masse de chaque particule.
Pour étudier le QGP on veut identifier les particules dites ‘étranges’.
Pour cela, en partant des particules filles de désintégration, on
identifie la particule parente ’(exercice cet après midi!).
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1) Mesure de la quantité de
mouvement et de 2) la charge
électrique
R
p
Identifier la charge et
mesurer quantité de
mouvement
p = quantité de mouvement à
mesurer
R = Rayon de courbure
B = Champ magnétique de l’aimant
q = charge de la particule
R=p/qB
q
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3) Masse invariante: qu’est-ce?
Faisceau 1
Particule
parent (neutre)
avant la
désintégration
+
Inter.
m
p
E
Faisceau 2
-
Apres
Lois de Consevation: energie, quantité
de mouvement et charge electrique.
Donc:
E=E1+E2
p=p1+p2
Neutre=(+) + (-)
Particules filles
après la
désintégration m1
t10-10 s
p1
E1
m2
p2
E2
Selon
la 2relativité:
2
2
E = m+p
2
2
2
m= E- p
La masse invariante de la particule parent est donc:
2
2
2
m = m1+m2+2(E1*E2) -2(p1*p2)
Ça me fait
rire!!!!
Résumé
Pour identifier des particules ‘‘parentes’’ , il faut mesurer la charge, la masses et la
quantité de mouvement des particules filles!
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Identification et distribution de la masse
invariante
m1
p1
E1
Pour des particules du même type avec valeurs de la quantité de mouvement
au hasard, pas liées à la particule mère :
2
2
2
M = m1+m2+2(E1*E2)-2(p1p2)
m2
p2
E2
17
m
M
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Les désintégrations à étudier dans
l’exercice:
Pion
Lambda
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Pour traiter les données
OSU/OSC
LBL/NERSC
Dubna
BirminghamNIKHEF
Nantes
Saclay
GSI
CERN
Merida
Lyon
Torino
Padova
Bologna IRB
Bari
Cagliari
Yerevan
Catania
Capetown, ZA
Kolkata, India
Distribuer les tâches :
• les ressources CPU
• le stockage des données
Sont réparties à travers le monde
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Conclusions
•Le LHC, avec des collisions de noyaux de plomb à des énergies jamais
atteintes sur terre, recrée un état de la matière nommé Quark-Gluon
Plasma (QGP), l’état de la matière pendant les premières millionièmes
de secondes après le big-bang;
•L’expérience ALICE avec ses différentes techniques de détection, peut
identifier plusieurs types de particules (quantité de mouvement, charge
et mesure de masse);
•L’identification et la conte des particule ‘étranges’ dan le collisions pp or
Pb-Pb nous permet de savoir plus sur le QGP! Ça est le sujet de
l’exercice cet après-midi.
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