Soutenance mémoire
Le détecteur ATLAS auprès du collisionneur LHC
« Oh ! mais, c’est… un accélérateur de particules !…
– Tiens ! ? Vous… connaissez ! ! »
Roger Leloup, La Spirale du temps (Yoko Tsuno tome 11), 1981.
Depuis le premier synchrotron créé par Lawrence en 1929 (accélérant des particules à une énergie de 80 keV), la montée en puissance des accélérateurs a permis la découverte des particules élémentaires tout au long du vingtième siècle. Le cadre théorique de Modèle Standard ayant été défini à la fin des années 70, ses prédictions ont pu être vérifiées. Ainsi, les bosons de jauge W et Z ont été découverts auprès du SPS dans les années 1983-1984, et leurs propriétés mesurées précisément auprès du LEP. Et le quark top a été découvert auprès du Tevatron en 1995. Ces expériences ont également cherché le boson de Higgs, dernière particule du Modèle Standard non encore observée expérimentalement. Le LHC peut permettre sa découverte, grâce à une énergie de 14 TeV dans le centre de masse et sa grande luminosité .
Le collisionneur LHC
Le LHC [21], Large Hadron Collider, collisionneur proton-proton, fait partie du complexe d’accélérateurs du CERN schématisé dans la figure 2.1 à gauche. Les protons injectés dans le LHC sont d’abord accélérés par une chaîne d’accélérateurs : les protons sont produits par l’ionisation de dihydrogène par un faisceau d’électrons, pré-accélérés par le LINAC2 à 50 MeV puis le PS booster à 1.4 GeV, puis accélérés à 26 GeV par le PS (proton synchrotron), et à 450 GeV par le SPS (super proton synchrotron) .
Caractéristiques du LHC
Comme le LHC utilise le tunnel du LEP (Grand collisionneur électron-positron) de 27 km de circonférence, pour pouvoir courber des protons de plus haute énergie, il a fallu augmenter le champ magnétique. Seuls des aimants supraconducteurs permettent d’atteindre des champs de l’ordre de la dizaine de Teslas de façon stable (8.33 T pour des faisceaux de 7 TeV). Le LHC contient environ 9300 aimants supraconducteurs, dont 1232 dipôles de 15 m de long. Chaque aimant contient les deux tubes dans lesquels les protons circulent en sens inverse, contrairement à un collisionneur e +e − ou pp¯ pour lequel les particules de charge opposée peuvent circuler dans le même champ magnétique. Les bobines sont constituées de câbles supraconducteurs faits de fils entrelacés de niobium-titane dans une gaine de cuivre. Ils sont refroidis à une température de 1.9 K par un bain d’hélium superfluide qui sert en plus à évacuer rapidement la chaleur grâce à sa très grande capacité calorifique. Les dipôles, dont on peut voir une représentation schématique dans la figure 2.1 à droite, ou aimants de courbure, dirigent le faisceau, tandis que les quadripôles, ou aimants focaliseurs, permettent de conserver les protons autour de leur trajectoire nominale et de réduire la taille des faisceaux aux points de collision.
Les deux paramètres du faisceau les plus importants pour les mesures de physique sont l’énergie dans le centre de masse √ s, et la luminosité L . Le LHC peut fournir des collisions avec une énergie dans le centre de masse comprise entre 900 GeV et 14 TeV, et elle était de 7 TeV en 2010. La luminosité quant à elle ne dépend que des paramètres de l’accélérateur, et le nombre d’événements produits par seconde par un processus physique est donné par la formule N = L .σ, où L est la luminosité instantanée (en cm−2 s−1 ) et σ la section efficace du processus, souvent exprimée en barns .
Les principales expériences auprès du LHC
Il y a 4 points de collisions sur l’accélérateur, où se situent les 4 expériences principales du projet :
– ATLAS [22], A Large Toroidal LHC ApparatuS, située au point 1, expérience généraliste.
– ALICE [23], A Large Ion Collider Experiment, située au point 2, expérience consacrée aux collisions d’ions lourds et à l’étude d’un plasma de quark et de gluons.
– CMS [24], Compact Muon Solenoid, située au point 5, expérience généraliste.
– LHCb [25], LHC beauty experiment, située au point 8, expérience consacrée à l’étude des propriétés du quark b .
Démarrage et premières données du LHC
Les premiers faisceaux ont été injectés dans le LHC le 10 septembre 2008 . Suite à un incident dû à un problème de soudure d’une inter-connexion électrique entre deux aimants le 19 septembre, le programme du LHC a dû être interrompu pendant plus d’un an, afin de changer les aimants endommagés, de vérifier et réparer d’autres inter-connexions défectueuses, d’installer des soupapes supplémentaires sur certains aimants, et de rajouter de nouveaux systèmes de protection [26]. Après un redémarrage fin octobre 2009, les premières collisions ont été enregistrées le 23 novembre 2009 à l’énergie d’injection. Puis l’énergie des faisceaux a été augmentée pour obtenir des collisions à une énergie dans le centre de masse de 2.36 TeV le 8 décembre, dépassant le précédent record d’énergie détenu par le Tevatron.
En 2009, 917000 collisions ont été enregistrées par ATLAS, ce qui correspond à une luminosité intégrée de 20 µb−1 . Parmi elles, 538000 collisions (soit 12 µb−1) correspondent à un état de « faisceau stable » à 900 GeV et 34000 collisions ont été enregistrées à 2.36 TeV.
Détecteur interne
Le détecteur interne [28, 29], détecteur de traces plongé dans un champ magnétique solénoïdal de 2 T, a pour principaux buts la mesure de l’impulsion des particules chargées dès 500 MeV, la reconstruction des vertex primaires et secondaires, et l’identification des électrons. Aux valeurs nominales de fonctionnement du LHC, environ 1000 particules chargées seront produites toutes les 25 ns [30].
Les deux éléments à semi-conducteurs, dits de précision, ont une couverture angulaire jusqu’à |η| = 2.5. Finement segmentés transversalement (z et ϕ) et longitudinalement (R), leur principal but est de fournir des points avec une très grande précision pour la reconstruction des traces. Ils ont aussi pour rôle de déterminer le paramètre d’impact et de reconstruire les vertex de saveurs lourdes et de leptons τ . Ils comportent tous deux une partie tonneau avec des couches cylindriques autour de l’axe du faisceau, et deux parties bouchons de chaque côté avec des couches en disques perpendiculaires à l’axe du faisceau. Le détecteur à pixels [31] est placé entre 50.5 et 150 mm de l’axe du faisceau. Il possède trois couches et est très finement segmenté, avec 80,4 millions de pixels de taille moyenne 50 × 400 µm2 . Il permet de reconstruire des vertex secondaires, caractéristiques en particulier des désintégrations de quarks b, grâce à sa couche la plus interne qui se situe à seulement 5 cm de l’axe des faisceaux. Le CPPM a participé activement à sa conception, sa construction, et ses tests en faisceaux. Le trajectographe à semi-conducteur (ou SCT, semi-conductor tracker) quant à lui est situé entre 299 et 560 mm du faisceau et possède 6,3 millions de canaux. Il est constitué de 4 doubles couches dans le tonneau et de 9 doubles couches dans les bouchons. Il permet d’avoir en moyenne 4 points dans l’espace pour la reconstruction des traces. Ces détecteurs de précision sont complétés par le trajectographe à rayonnement de transition (ou TRT, transition radiation tracker), situé entre 563 et 1066 m de l’axe du faisceau, qui comporte 350848 canaux, mais sa couverture angulaire est limitée à |η| = 2.0. Le TRT est composé d’environ 300000 tubes proportionnels à dérive remplis d’un mélange de gaz dont du xénon, appelés pailles. Ces pailles sont disposées parallèlement au faisceau en couches cylindriques dans le tonneau et sont orientées radialement en roue dans les bouchons. Du fait de cette disposition, seule l’information en R et ϕ est disponible. Ce détecteur est prévu pour que les particules d’énergie transverse supérieure à 500 MeV croisent en moyenne 30 pailles. Cette structure permet aussi de fournir une information pour l’identification des électrons. En effet, des fibres (dans le tonneau) ou des feuilles (dans les bouchons) de propylène sont disposées entre les pailles. Le rayonnement de radiation ainsi créé (plus important pour les électrons que pour les hadrons) produit un signal plus énergétique dans les pailles ; deux seuils dans l’électronique de fin de chaîne permettent de distinguer les deux types de signaux.
La résolution intrinsèque de la position en R-ϕ est de 10 µm, 17 µm et 130 µm pour respectivement le détecteurs à pixels, le SCT, et le TRT. Dans l’autre direction (z dans les tonneaux, R dans les bouchons), elle est de 155 µm pour le détecteur à pixels et de 580 µm pour le SCT. La résolution intrinsèque inférieure du TRT est compensée par le grand nombre de points de mesure (30 points de mesure par trace pour 3 et 4 points pour le détecteur à pixels et le SCT respectivement).
Un des principaux critères à maîtriser pour une bonne mesure des traces est l’alignement du détecteur interne. La résolution de la mesure des paramètres des traces ne doit pas se dégrader de plus de 20% par rapport à la résolution intrinsèque. Pour cela, les modules du détecteur à pixels et du SCT doivent être alignés avec une précision meilleure que 7 µm, 12 µm et une dizaine de µm dans les directions de R, ϕ et z respectivement, et de quelques dizaines de µm pour le TRT. Un premier alignement a été effectué avec des muons cosmiques en 2008 [32], puis avec des traces issues des collisions en 2009 et 2010 [33]. La qualité de l’alignement peut être quantifiée à l’aide des résidus de l’extrapolation des traces, à la fois pour les données et avec une simulation Monte-Carlo d’événements de biais minimum avec un alignement parfait. La figure 2.8 montre ces résidus pour la coordonnée de précision x pour les tonneaux du détecteur à pixels, du SCT et du TRT respectivement. Avec des traces d’énergie transverse supérieure à 15 GeV (à cette énergie, seuls la résolution intrinsèque et le mésalignement contribuent à la largeur des résidus), la largeur à mi-hauteur de ces résidus est de 9 µm, 25 µm et 118 µm pour les trois sous-détecteurs, en accord raisonnable avec les résultats de 8 µm, 24 µm et 122 µm pour un alignement parfait, et sont une grande amélioration par rapport à des résultats de 150 µm, 114 µm et 235 µm avant tout alignement en 2008. La différence entre les données et le Monte-Carlo montre que le mésalignement est inférieur à 5 µm pour le détecteur à pixels, et à 10 µm pour le SCT.
|
Table des matières
Introduction
1 Le modèle standard
1.1 Les particules élémentaires
1.1.1 Les bosons médiateurs des interactions
1.1.2 Les particules constituantes de la matière
1.2 Le modèle standard, une théorie de jauge
1.2.1 Exemple d’invariance de jauge : l’électrodynamique quantique
1.2.2 La théorie électrofaible
1.2.3 La chromodynamique quantique
1.3 Réussites et limites du modèle standard
2 Le détecteur ATLAS auprès du collisionneur LHC
2.1 Le collisionneur LHC
2.1.1 Caractéristiques du LHC
2.1.2 Les principales expériences auprès du LHC
2.1.3 Démarrage et premières données du LHC
2.2 Description du détecteur ATLAS
2.2.1 Détecteur interne
2.2.2 Le système calorimétrique
2.2.3 Spectromètre à muons
2.2.4 Le système de déclenchement
2.2.5 Résumé et performances
2.3 Programme de physique d’ATLAS et premiers résultats
2.3.1 Mesures de précision dans le cadre du Modèle Standard
2.3.2 Recherche du boson de Higgs
2.3.3 Recherches au-delà du modèle standard
3 Mise en œuvre du système calorimétrique
3.1 Description du système calorimétrique
3.1.1 Calorimètres à échantillonnage
3.1.2 Les calorimètres à argon liquide
3.1.3 Le calorimètre hadronique à tuiles
3.2 Principe de la reconstruction de l’énergie des cellules
3.2.1 Développement des gerbes dans les calorimètres
3.2.2 Reconstruction du signal dans les calorimètres à argon liquide
3.2.3 Reconstruction du signal dans les calorimètres à tuiles
3.3 Mise en œuvre et stabilité de la reconstruction de l’énergie des cellules
3.3.1 Piédestaux
3.3.2 Gain
3.3.3 Bruit électronique
3.3.4 Etat du calorimètre avant les premières collisions
3.4 Mise en oeuvre du système calorimétrique avec les premières collisions
4 Mise en œuvre de l’énergie transverse manquante
4.1 Reconstruction de l’énergie transverse manquante
4.2 Mise en œuvre à l’aide d’événements de déclenchement aléatoire
4.2.1 Données et jouet Monte-Carlo
4.2.2 Performance de l’algorithme de topoclusters
4.2.3 Distributions de Emiss X,Y
4.2.4 Distributions de ΣET
4.2.5 Distributions de Emiss T
4.2.6 Stabilité des résultats
4.3 Evénements déclenchés par le niveau 1
4.4 Mise en œuvre à l’aide d’événements de biais minimum
4.4.1 Définition des événements de biais minimum
4.4.2 Collisions à 900 GeV et 2.36 TeV en 2009
4.4.3 Collisions à 7 TeV
4.4.4 Performances de l’énergie transverse manquante calibrée
Conclusion
