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Collisionneur linéaire
Aujourd’hui, la physique des particules demande des énergies très élevées afin d’aller au-delà du modèle standard et les collisionneurs linéaires sont une des options les plus prometteuses pour la physique des hautes énergies. Dans ce chapitre, il est expliqué pourquoi un collisionneur linéaire à très haute énergie sera nécessaire dans les prochaines années et les projets à l’étude pour la construction d’un tel collisionneur sont donnés avec une description brève de leurs caractéristiques. Le travail de l’équipe LAVISTA et les travaux de ma thèse portent sur les problèmes de stabilisation à l’échelle nanométrique des derniers éléments optiques situés au point d’interaction des collisionneurs linéaires. Afin de connaître pour quels projets une stabilisation est nécessaire, les différentes technologies adoptées pour le projet CLIC, le projet ILC et le projet ATF2 sont analysées. Cette analyse permet également de savoir dans quelles directions, dans quelles gammes de fréquence et jusqu’à quelles amplitudes des stabilisations sont nécessaires. Pour finir, les sources de vibration pouvant faire vibrer ces derniers éléments optiques sont décrites en insistant plus particulièrement sur le mouvement du sol qui est la source majeure de vibrations. Entre autre, il est montré l’impact du mouvement du sol sur le mouvement relatif entre les éléments optiques relativement à la gamme de fréquence et au site et s’il est nécessaire de stabiliser le mouvement du sol afin que le mouvement relatif entre les derniers éléments optiques soit dans les tolérances imposées.
Les besoins d’un collisionneur linéaire e+ e- de haute énergie
Le modèle standard a permis de décrire avec succès les observations expérimentales. Aucune déviation de ce modèle n’a été observée mais nous savons pourtant que le modèle standard n’est pas le modèle ultime. Aujourd’hui, la physique des particules va au-delà du modèle standard afin de comprendre les composants fondamentaux de l’univers. Les nouveaux objectifs fixés sont d’essayer d’expliquer l’origine de la masse (la recherche du boson de Higgs), de chercher des preuves expérimentales de la théorie des extra-dimensions, et d’enquêter sur les particules super-symétriques.
Collisionneur de haute énergie
Ces objectifs ambitieux seront abordés dans des expériences produisant des particules dans la gamme d’énergie du TeV.
Les accélérateurs de particules sont les seuls appareils permettant de mettre en collision des particules à de telles énergies et avec un taux de réussite élevé, ce qui est nécessaire afin de réduire l’incertitude sur la découverte.
Collisionneur de protons et collisionneur e+ e-
Deux types de collisionneurs de particules sont couramment utilisés pour ce type d’expérience: les collisionneurs à protons et les collisionneurs e+e- . Les collisionneurs à protons permettent de faire des découvertes. En effet, les collisions de protons développent une large gamme d’énergie car ces dernières particules ne sont pas élémentaires. Il est ainsi possible de découvrir de nouvelles particules et de savoir approximativement à quelle énergie ces nouvelles particules sont créées. Les collisionneurs e+e- permettent de réaliser des mesures de précision sur des particules comme par exemple celles découvertes avec les collisionneurs à protons et ces deux types de collisionneurs sont donc complémentaires. En effet, les collisions d’électrons e- et de positons e+ sont produites à une énergie fixée car les électrons et les positons sont des particules élémentaires. L’énergie développée dépend de la puissance du collisionneur et celle-ci doit être choisie en fonction de l’énergie de la particule que l’on veut étudier. Notons tout de même que les collisionneurs e+ e- permettent également de faire des découvertes. Le dernier collisionneur de particules e+ e- créé fut le LEP (Large Electron Positron collider) et était le plus grand collisionneur au monde. Celui-ci faisait 27km de circonférence et était situé sur le site du CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire). La décision de sa construction a été prise en 1981 et il fut inauguré en 1989. Ce collisionneur de particules était un collisionneur circulaire qui a permis des avancées importantes comme la mesure de la largeur du Z. En 1994, la construction du LHC (Large Hadron Collider) est approuvée et celle-ci est maintenant quasiment terminée. La mise en route de cet accélérateur devrait commencer en 2008. Le LEP fut complètement démonté afin de laisser son tunnel libre pour le LHC. Le début de son démontage commença en mai 2001. Les découvertes les plus importantes au delà du modèle standard sont attendues avec le LHC car des énergies jamais atteintes auparavant vont pouvoir être développées. Il s’agit d’un collisionneur circulaire de protons qui va permettre la collision de ces particules à des énergies de centre de masse très élevées de l’ordre de 14TeV. Afin de permettre une mesure de précision sur les résultats qui seront obtenus avec le LHC, un collisionneur e+ e- de très haute énergie doit être utilisé.
Collisionneur circulaire et collisionneur linéaire
Pour des collisionneurs circulaires à protons comme le LHC, la masse des protons est suffisamment grande pour que la perte d’énergie par rayonnement synchrotron soit négligeable et l’énergie du faisceau peut être augmentée en faisant faire plusieurs tours au faisceau grâce aux cavités accélératrices accélérant en continu le faisceau. Par contre, pour des collisionneurs circulaires e+e- comme le LEP, l’énergie est limitée car la perte d’énergie par rayonnement synchrotron est importante du fait de la masse très faible des électrons. Ainsi, l’énergie est limitée à 100GeV par faisceau pour un rayon du collisionneur raisonnable du point de vue coût de la machine. Cette énergie n’est pas suffisante pour le futur collisionneur e+ e- qui doit être complémentaire du LHC. Ainsi, il a été décidé dans la communauté des accélérateurs que le prochain collisionneur e+e – soit linéaire afin que le faisceau ne réalise pas de courbure et qu’il ne perde donc pas d’énergie. Il est à noter que contrairement à un collisionneur circulaire, le faisceau ne peut pas réaliser plusieurs tours pour gagner de l’énergie. Pour des raisons de coût, le futur collisionneur linéaire ne peut pas faire plus de 50km de longueur alors que par comparaison, le collisionneur circulaire du LHC fait 27km de circonférence. Ainsi, des cavités accélératrices très puissantes sont nécessaires tout le long des deux bras du collisionneur linéaire afin d’obtenir des gradients d’accélération très élevés.
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Table des matières
1. Introduction générale
2. Collisionneur linéaire
2.1. Les besoins d’un collisionneur linéaire e+ e-
de haute énergie
2.1.1. Collisionneur de haute énergie
2.1.2. Collisionneur de protons et collisionneur e+ e-
2.1.3. Collisionneur circulaire et collisionneur linéaire
2.2. Projets de construction d’un collisionneur linéaire
2.2.1. Projet CLIC
2.2.2. Projet ILC
2.2.3. Projet ATF2
2.3. Amplitude de stabilisation des faisceaux
2.4. Gamme de fréquence de stabilisation des faisceaux
2.5. Stabilisation des doublets finaux pour l’équipe LAVISTA
2.6. Sources de vibration
2.6.1. Mouvement du sol
2.6.2. Ecoulement d’eau de refroidissement
2.6.3. Support pour les aimants
2.6.4. Bruit acoustique
2.7. Conclusion
3. Capteurs de vibration
3.1. Outils d’analyse
3.1.1. Résolution fréquentielle
3.1.2. Repliement spectral
3.1.3. Fenêtrage
3.1.4. Bases de calculs
3.1.5. Densité Spectrale et Root Mean Square intégré
3.1.6. Fonction de transfert
3.1.7. Calcul de cohérence
3.1.8. Mouvement relatif
3.2. Cahier des charges des capteurs de vibration
3.2.1. Résolution
3.2.2. Taille et poids
3.2.3. Gamme de fréquence opérationnelle
3.2.4. Environnement
3.3. Type de capteurs pouvant répondre au cahier des charges
3.4. Capteurs de vibration acquis au sein du groupe LAVISTA
3.5. Alimentation des capteurs et branchement différentiel
3.6. Systèmes d’acquisition
3.6.1. Caractéristiques
3.6.2. Choix du système d’acquisition en fonction de l’étude réalisée
3.6.3. Conditionnement du signal pour le DAQ PCI6052E
3.7. Méthodes de calcul du bruit instrumental
3.7.1. Différence Corrigée
3.7.2. Différence Spectrale
3.7.3. Calcul direct du bruit instrumental
3.7.4. Choix de la méthode pour la mesure du bruit instrumental
3.8. Mesure du bruit instrumental et du mouvement du sol
3.8.1. Installation expérimentale
3.8.2. Différence Corrigée et bruit interne du CAN
3.8.3. Mesures du mouvement du sol en basses et moyennes fréquences
3.8.4. Mesures du mouvement du sol en hautes fréquences
3.8.5. Candidat pour le rejet actif des vibrations de quadripôles
3.9. Conclusion
4. Vibrations de structures encastrées-libres
4.1. Analyse modale et réponse dynamique
4.1.1. Analyse modale
4.1.2. Réponse dynamique
4.1.3. Mesures de vibration d’un dipôle dans le tunnel LHC
4.1.4. Conclusion
4.2. Impact du bruit acoustique en moyennes fréquences
4.2.1. Installation expérimentale
4.2.2. Poutre soumise à du bruit acoustique typique d’une salle de travail
4.2.3. Poutre soumise à différents niveaux de bruit acoustique sinusoïdal
4.2.4. Conclusion
4.3. Impact du mouvement du sol et du bruit acoustique en hautes fréquences
4.3.1. Installation expérimentale
4.3.2. Amplitude et impact des bruits dans la salle de travail LAVISTA
4.3.3. Type de bruit créé
4.3.4. Bruit typique d’une salle de travail
4.3.5. Bruit typique d’une pompe
4.3.6. Conclusion
5. Stabilisation du sol et d’une poutre encastrée-libre
Conclusion
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