La physique du top au-delà du Modèle Standard

L’accélérateur

                  Le LHC est situé dans un anneau de 26.7 kilomètres de long, enterré entre 45 m et 170 m sous terre. Il est composé de huit arcs de cercle (appelés octants) reliés par des sections droites (appelées insertions), le tout contenant 1624 aimants supraconducteurs refroidis à une température de 1.9 K par de l’hélium liquide. Il est formé de 1232 aimants dipolaires principaux de 15 m de long chargés de faire circuler les protons sur leur trajectoire courbe et 392 aimants quadrupolaires focalisant le faisceau afin de maximiser les chances d’interaction entre particules. Un champ magnétique uniforme de 8.3 Teslas, de sens opposé dans chaque tube à vide, est nécessaire pour dévier les faisceaux de 0.6 mm par mètre afin de les maintenir sur leur trajectoire. Les protons sont produits à partir d’une source d’hydrogène puis sont tout d’abord accélérés linéairement à une énergie de 50 MeV (grâce au Linac2) avant d’être envoyés dans le Proton Synchrotron Booster (PSB). Ils sont alors injectés à 1.4 GeV dans le Proton Synchrotron (PS), qui les accélère à 26 GeV avant leur passage dans le Super Synchrotron à Protons (SPS). Le SPS est un accélérateur de 2 km de diamètre fournissant des paquets de protons de 450 GeV. Ces paquets sont espacés de 50 ns depuis fin 2011 et il devrait en être de même pour le fonctionnement nominal à 13 ou 14 TeV. Cette chaine d’injection est représentée Figure 1.1. Le LHC regroupe quatre grandes expériences, situées aux points de collision des faisceaux : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb.
• Les deux premières [2] [3] sont dédiées à la recherche du boson de Higgs et de la nouvelle physique, ainsi qu’à l’étude du Modèle Standard,
• ALICE [4] étudie les événements issus de collisions d’ions lourds : elle est dédiée à l’étude du plasma quark-gluons,
• LHCb [5] étudie la violation de la symétrie CP par l’intermédiaire de particules produites lors des collisions proton-proton et contenant un quark b.
Par ailleurs, deux détecteurs très spécialisés étudient les collisions fournies par le LHC :
• TOTEM [6] étudie des particules à très petit angle (physique inaccessible aux 4 autres grandes expériences) afin de mesurer la taille des protons ou la luminosité du LHC. Avec le détecteur ALFA [7] ils ont pour but une précision de mesure de 1% sur la luminosité.
• LHCf [5] utilise les particules à petits angles créées à l’intérieur du LHC pour simuler des rayons cosmiques en condition de laboratoire.

Les chambres de précision et de déclenchement

• Les chambres de précision se divisent en chambres à dérive de précision : Monitoring Drift Tubes (MDT) et en chambres proportionnelles multifils : Cathode Strip Chambers (CSC). Elles mesurent l’impulsion des muons. Cette mesure précise est effectuée en déterminant les coordonnées de la trace dans le plan de courbure. Les MDTs ont été choisies pour cette tâche par leur grande précision de mesure, la prévisibilité des déformations mécaniques et leur simplicité de construction. Dans la région (2.0 < |η| < 2.7) la partie la plus interne des bouchons est équipée de CSC, mieux adaptées pour la manipulation des flux de particules attendus. Les CSCs mesurent à la fois les coordonnées des traces et possèdent une bonne résolution temporelle.
• Les chambres de déclenchement se divisent en chambres à plaques résistives : Resistive Plate Chamber (RPC) et en chambres à intervalle fin : Thin Gap Chamber (TGC). Elles interviennent au premier niveau du système de déclenchement : elles doivent donc fournir une réponse rapide sur la trace d’un muon afin que le système de déclenchement évalue l’impulsion transverse du muon et le croisement de faisceau correspondant. Elles déterminent également la coordonnée en φ des traces. Ceci est effectué par les RPCs dans le tonneau et les TGCs dans les bouchons. Les deux systèmes sont capables de séparer les passages du faisceau avec une précision intrinsèque de synchronisation de quelques nanosecondes. Dans le tonneau, les chambres sont réparties sur trois couches cylindriques de rayons 5, 7.5, et 10 m. Dans les bouchons et la région de transition, les chambres forment de grandes roues perpendiculaires au faisceau et sont aussi réparties en trois couches, situées à des distances de |z| = 7.4, 10.8 et 14 m (zone de transition) ou 21.5 m (bouchon) du point d’interaction. Dans le centre du détecteur, une zone morte est présente autour de |η| = 0 pour permettre l’accés des services au solénoïde, aux calorimètres et au détecteur interne. La taille de l’accès varie d’un secteur à l’autre selon la nécessité : cette région s’étend jusqu’à |η| = 0.08 pour les grandes chambres et |η| = 0.04 pour les secteurs de petite taille. Elles couvrent la région |η| < 2.7 et la région |η| < 2 dans la partie la plus interne des bouchons. Ces 1088 chambres sont utilisées pour la reconstruction précise des traces. Elles se divisent en trois couches concentriques autour de l’axe du faisceau de rayons 5, 7.5 et 10 m. Les tubes des MDTs sont regroupés dans des modules de 2×4 couches pour les chambres internes et de 2×3 couches pour les chambres centrales et externes comme le montre la figure 1.16(a). La disposition des MDTs est projective : la taille des chambres augmente avec la distance au point d’interaction. Les chambres se composent de tubes en aluminium (cathode) de 30 mm de diamètre et de 400 µm d’épaisseur dans lesquels se trouvent un fil (anode) de 50 µm de diamètre constitué de tungstène et de rhénium et porté à un potentiel de 3080 V (cf figure 1.16(b)). Ces tubes sous tension sont remplis d’un mélange gazeux Ar/CO2 (93%/7%) sous une pression de 3 bars. Le temps de dérive maximal est de 480 ns donnant une résolution de 80 µm par tube et 35 µm par chambre.
Les chambres proportionnelles multifils (CSC) : La technologie des chambres change pour |η| > 2, le flux de particules attendu augmentant : les MDTs saturent à 150 Hz/cm2 et les CSCs à 1000 Hz/cm2. Les CSCs offrent une haute résolution spatiale et temporelle avec des taux élevés de capacité et couvrent la région 2 < |η|< 2.7. Les chambres se divisent en 2 roues de taille différente contenant chacune 8 chambres formées de 4 plans de CSC séparés de 5 mm comme le montre la figure 1.17. Les anodes et cathodes baignent dans un mélange gazeux Ar/CO2 (80%/20%). Les anodes des CSCs sont des fils de 30 µm de diamètre composés de tungstène et de rhénium, orientés radialement et séparés de 2.5 mm. Elles fonctionnent sous une tension de 1900 V. Les cathodes possèdent 2 orientations : une orientation perpendiculaire aux fils sur l’une des faces des chambres pour les mesures de coordonnées transverses (η) et une orientation parallèle sur l’autre face pour les mesures de précision et de seconde coordonnée (φ). Le temps de dérive est inférieur à 40 ns avec une précision de 7 ns. Chaque plan possède une résolution de 40 µm en R et 5 mm en φ.
Les chambres à plaques résistives (RPC) : Les RPCs couvrent la région |η| < 1.05. Il y a deux RPCs de chaque côté de la couche centrale de MDT et une troisième se trouve sur la face externe de la dernière MDT. Chaque station se compose de deux couches indépendantes, mesurant η et φ, de sorte qu’une trace traversant les trois stations délivre six mesures par coordonnée. Chaque couche de RPC est formée de 2 plaques parallèles résistives en plastique, espacées de 2 mm par des séparateurs isolants. L’interstice entre plaques est rempli d’un gaz de tétrafluoroéthane, d’isobutane et d’hexafluorure de soufre (94.7%/5%/0.3% ) qui permet une faible tension de fonctionnement, une ininflammabilité et un faible coût. Le champ électrique entre plaques est de 4.9 kV/mm pour recueillir la cascade d’ionisation créée par le muon. Le signal est lu par couplage capacitif grâce à des bandes métalliques segmentées orthogonalement et fixées sur les faces extérieures des plants résistifs. Ces chambres, représentées sur la Figure 1.18(a) ont les mêmes dimensions que les MDTs et sont montées juste devant ces dernières. Elles ont une résolution spatiale de 10 mm et temporelle de 1,5 ns.
Les chambres à intervalle fin (TGC) : Le fonctionnement des TGCs est similaire à celui des MDTs, puisqu’il s’agit également de chambres proportionnelles multifils ayant une bonne résolution temporelle et pouvant travailler à haut taux de répétition. Cependant, elles possèdent une géométrie différente : la distance entre anodes (1.8 mm) est supérieure à la distance anode-cathode (1.4 mm) et le gaz est un mélange de C02 et de n-penthane fortement ionisant qui fonctionne dans un mode quasi-saturé. Leur résolution spatiale est déterminée par la granularité du système de lecture qui peut être ajustée selon les besoins grâce au système de regroupement de fils. Les TGCs sont utilisées pour le déclenchement dans les bouchons. La couche centrale de MDT est complétée par sept couches de TGC tandis que la couche interne n’est complétée que par deux couches de TGC. L’absence de TGC sur la roue externe de MDT implique une mesure de la coordonnée azimutale φ le long des tubes par extrapolation à partir de la couche centrale ce qui peut être fait précisément en raison du faible champ magnétique dans cette région.

Les stratégies de reconstruction

              Il existe différentes stratégies et algorithmes pour reconstruire les muons faisant intervenir le spectromètre à muons et le détecteur interne. Les 3 stratégies de reconstruction sont les suivantes :
• Les muons « standalone » : seul le spectromètre à muons est utilisé pour reconstruire la trace (pour |η| ≤ 2.7) qui est alors extrapolée jusqu’au point de collision. Cette stratégie permet notamment de reconstruire les muons secondaires.
• Les muons tagged : les traces du détecteur interne (ayant une impulsion transverse suffisante dans le spectromètre à muons) sont extrapolées aux segments de traces reconstruits les plus proches dans le spectromètre. Cette stratégie permet de bien reconstruire les muons de basse impulsion transverse (pT ≤ 6 GeV) ou les régions moins couvertes du spectromètre (le puits à η ∼ 0 ou les pieds).
• Les muons combined : la trace complète reconstruite dans le spectromètre est combinée à la trace reconstruite dans le détecteur interne la plus proche. Cette stratégie donne la plus grande pureté. La reconstruction s’effectue de la manière suivante : les régions d’activité sont définies (autour des RPC et TGC touchées), les segments du spectromètre puis les traces standalone sont reconstruits, enfin, la trace combinée est reconstruite.

Prise en compte de l’empilement des données

                 La luminosité instantanée fournie par le LHC augmente continûment et cela entraîne une augmentation de l’empilement des événements. L’empilement est défini comme une superposition des événements avec des collisions à deux protons. Cela conduit à la présence de plus d’un vertex primaire dans l’événement et cela doit être pris en compte tout particulièrement lorsque l’on compare les simulations Monte Carlo aux données réelles. Le détecteur a été conçu pour fonctionner de manière optimale jusqu’à un empilement de 50 interactions par événement, il faut donc prendre en compte ce fort empilement des données dans le Monte Carlo. Pour les données de 2010, le nombre de vertex reconstruits était utilisé comme estimation du nombre d’interactions par événement. A partir des prises de données de 2011, le nombre de vertex dans un événement donné n’est plus une bonne estimation de l’empilement. En effet, le LHC tourne avec des protons accumulés dans des trains de paquets séparés en temps de 50 ns. Désormais l’empilement des données en dehors des temps de collision (chevauchement des signaux dans le détecteur provenant des paquet voisins) est très important comme le montre la Figure 1.22. Sur cette figure est représenté en vert l’empilement maximum observé pour tous les paquet de protons et en bleu l’empilement maximum moyen des paquets de protons. Pour estimer le nombre d’événement attendus dans ATLAS avec prise en compte de l’empilement des données et être en mesure de comparer le Monte-Carlo avec les données, on utilise le nombre moyen d’interactions par événement : chaque événement simulé doit être repondéré en fonction du nombre de vertex primaire empilés simulés dans l’événement. Un outil statistique a été créé afin de calculer le poids d’empilement appliqué aux événements.

Calcul des retards de calibration

              Les retards des TBBs sont déterminés à partir de prises de données de calibration phos4 avec tous les retards des TBBs réglés sur l’intervalle 7 qui correspond au mode de fonctionnement le plus stable des TBBs. Une prise de données est effectuée pour chacun des quatre compartiments du calorimètre. Une prise de donnée supplémentaire a été effectuée pour le compartiment médium avec une valeur de DAC plus élevée afin de compenser la suppression en énergie transverse dans la roue interne des bouchons. L’alignement en temps est effectué par rapport au compartiment médium où est déposée la majeure partie de l’énergie des gerbes électromagnétiques. Les TBBs ayant un fonctionnement plus stable avec un retard dans l’intervalle 7 plutôt que dans l’intervalle 0, on minimise le nombre de retards dans l’intervalle 0 en calculant les retards de manière à ce que le compartiment nécessitant d’être le plus retardé ait un retard dans l’intervalle 7. Une fois les retards déterminés, on reprend une série de données de calibration avec ces retards chargés dans les TBBs afin de vérifier l’alignement en temps des différents compartiments pour chaque tour de déclenchement.

Table des matières

Introduction
1 Le LHC et le détecteur ATLAS 
1.1 Introduction 
1.2 Le LHC
1.3 Le détecteur ATLAS 
1.4 Reconstruction des objets physiques 
Bibliographie
2 Premier niveau de déclenchement du calorimètre 
2.1 Introduction
2.2 Fonctionnement des Towers Builders Boards du calorimètre électromagnétique
2.3 Fonctionnement des lignes à retard des Tower Builder Boards 
2.4 Estimation de la luminosité utile pour la vérification des retards de physique
2.5 Mesure des retards de physique des Tower Builder Boards avec une configuration spéciale de déclenchement
2.6 Conclusion
2.7 Annexe 
Bibliographie
3 Le Modèle Standard 
3.1 Introduction 
3.2 Le Modèle Standard
3.3 Le mécanisme de brisure de symétrie 
3.4 Les limites du Modèle Standard 
3.5 Les alternatives au Modèle Standard 
Bibliographie
Annexes
4 Analyse des Modèles Exotiques à 4 tops 
4.1 Le Modèle Topophile 
4.2 Le Modèle Supersymétrique
4.3 Reconstruction des événements pour les Modèles Topophile et Supersymétrique
4.4 Synthèse 
Annexe
Bibliographie
5 Étude expérimentale du modèle Topophile et des événements à 4 tops avec ATLAS 
5.1 Introduction
5.2 Les partenaires du quark top
5.3 Cadre de l’analyse 
5.4 Coupures utilisées 
5.5 Estimation du nombre d’événements dus à l’erreur de reconstruction de la charge des leptons
5.6 Estimation du nombre d’événements dus aux faux leptons 
5.7 Incertitudes systématiques 
5.8 Etude de la région de contrôle et résultat
5.9 Interprétation des résultats 
5.10 Conclusion
Bibliographie
Conclusion
Publication

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