Physique des particules

Accélérateurs et expériences de collision

Les accélérateurs donnent de l'énergie aux particules grâce aux champs électriques ; les détecteurs combinent traces, énergie et signaux de muons pour reconstruire les collisions et tester les modèles physiques.

Les accélérateurs linéaires utilisent des cavités radiofréquence variables ; les synchrotrons courbent et focalisent les faisceaux avec des aimants. Le champ électrique fournit le travail ; un champ magnétique idéal dévie les particules sans accroître leur énergie cinétique.

\Delta K=q\int\mathbf{E}\cdot d\mathbf{l},\qquad \sqrt{s}=2E_{\mathrm{beam}}\quad(\text{collider, equal beams})

Définition: Énergie de collision et énergie dans le centre de masse

Pour deux faisceaux frontaux de même énergie $E$ , l'énergie dans le centre de masse vaut $\sqrt{s}=2E$ (masses négligées à haute énergie). Une cible fixe utilise moins efficacement l'énergie disponible, une grande part alimentant le mouvement du centre de masse. Les particules instables sont inférées à partir de leurs produits de désintégration.

Faites pivoter le trajectographe, les calorimètres électromagnétique/hadronique et les chambres à muons ; changez de particule pour comparer les signatures schématiques. Les muons pénètrent profondément, électrons et photons produisent une gerbe électromagnétique, les hadrons une gerbe hadronique.

Lire les signatures du détecteur

Un trajectographe au silicium mesure les traces chargées dans un champ magnétique et indique le signe de charge et l'impulsion transverse. Les calorimètres électromagnétiques absorbent électrons et photons ; les calorimètres hadroniques contiennent la plupart des hadrons. Les chambres externes détectent les muons pénétrants. Les neutrinos s'échappent et sont inférés par l'impulsion manquante.

Exemple: Impulsion à partir de la courbure

Dans un champ uniforme, une particule chargée a un rayon de courbure $r=2$ m pour $B=2$ T. Estimez $p_T$ en GeV/c avec $p_T\approx0.3|q/e|Br$ .

Solution

Pour $|q|=e$ , $p_T\approx0,3\times2\times2=1,2$ GeV/c. À champ et charge fixés, une courbure moindre correspond à une impulsion plus grande.

Des événements aux conclusions

Les chercheurs choisissent des canaux, reconstruisent les objets, estiment les fonds et comparent les distributions aux prédictions. Un nouveau candidat exige une significativité statistique appropriée, des systématiques maîtrisées, des vérifications et une réplication indépendante ; un événement inhabituel ne suffit pas.

Dans un accélérateur circulaire, la rigidité du faisceau est caractérisée par $B\rho=p/q$ : le champ $B$ et le rayon orbital $\rho$ déterminent l'impulsion par charge. La fréquence RF doit être synchronisée avec le passage des particules dans les cavités, tandis que les aimants focalisants maintiennent un faisceau étroit. Une luminosité intégrée plus élevée fournit davantage d'événements rares, mais complique aussi la superposition des collisions et leur reconstruction.

L'invariant $s$ distingue l'énergie utile dans le centre de masse de l'énergie du faisceau au laboratoire. Dans un collisionneur frontal, les impulsions opposées s'annulent presque et une grande part de l'énergie peut créer de nouveaux états ; avec une cible fixe, la grande impulsion totale fait croître bien plus lentement l'énergie du centre de masse. Après la collision, conservation énergie-impulsion et masses invariantes des produits aident à identifier les particules intermédiaires instables.

Vérification rapide

Deux faisceaux de même énergie entrent en collision frontale. En négligeant les masses, quelle est l’énergie dans le centre de masse ?

Dans un champ magnétique statique idéal, quel effet la force de Lorentz a-t-elle sur une particule chargée ?

Références

T. Ferbel (1991). Experimental Techniques in High-Energy Nuclear and Particle Physics