Le Large Hadron Collider et CMS

 Le LHC

L’arrêt définitif de l’accélérateur LEP a été prononcé par le Directeur Général du CERN au cours du mois de novembre 2000. Cette fermeture, initialement prévue pour la fin du mois de septembre 2000, avait été différée à la suite de l’annonce par les quatre expériences installées sur le LEP de l’observation d’événements compatibles avec la production d’un boson de Higgs de masse égale à environ 115 GeV. Cependant le fait que la production de ces événements pouvait s’expliquer par d’autres mécanismes a conduit le Directeur Général du CERN à réaffirmer le rôle fondamental du futur collisionneur dans la recherche du boson de Higgs et de fait à prononcer l’arrêt de l’exploitation du LEP.

Les grands objectifs du programme de physique du LHC peuvent être résumés de la manière qui suit. Le LHC a pour ambitions :
• de comprendre l’origine des masses des particules. En effet il existe une dynamique importante dans le spectre de masse des particules. D’où provient ce phénomène? L’existence d’un boson de Higgs et l’intensité de ses interactions avec les particules semble être la réponse théorique à ce mystère. Le cadre théorique décrivant ce phémomène est complètement connu à l’exception notable de la valeur de la masse de ce boson de Higgs
• de tester l’hypothèse de l’existence d’une symétrie fondamentale entre les fermions et les bosons, la supersymétrie (SUperSYmmetry en anglais d’où SUSY). L’existence de la supersymétrie conduit de façon naturelle à l’existence de nouvelles particules qui sont les partenaires supersymétriques des particules décrites par le Modèle Standard. Outre la découverte de ces nouvelles particules un enjeu important de la physique au LHC sera de comprendre le mécanisme de la brisure de SUSY .

Ces deux volets de la physique sondée au LHC mettent en jeu la production de nouvelles particules dont la valeur de la masse couvre un domaine de l’ordre de 100 GeV à environ 1 TeV. Ceci se traduit par le fait que pour produire de telles particules dans une collision proton-proton il est impératif d’atteindre des énergies dans le centre de masse de la collision supérieure d’un ordre de grandeur à celle atteinte par le collisionneur installé aux Etats-Unis, le Tevatron.

En 1994 le Conseil Scientifique du CERN a adopté le principe de construction du LHC dans le tunnel du LEP. Le complexe des accélérateurs du CERN sera utilisé afin d’alimenter le LHC en protons de 450 GeV via le SPS. Cette énergie sera portée à la suite du cycle d’accélération à la valeur nominale de 7 TeV. L’obtention de la haute luminosité, expressément demandée pour détecter les phénomènes nouveaux à faible probabilité de production, sera obtenue en remplissant la circonférence de l’anneau du LHC par des paquets d’environ séparés dans le temps par 25 nanosecondes. Afin de maintenir les protons sur leur trajectoire des aimants supraconducteurs d’un champ de 8 Teslas seront nécessaires et feront appel à une technologie de construction d’un degré de sophistication jamais employé à ce jour.

Deux expériences couvrant tout le domaine de la physique accessible au LHC seront installées sur cet accélérateur. La première, le Compact Muon Solenoid (CMS) se trouvera au point 5 alors que la seconde, l’Apparatus (ATLAS) occupera le point 1 de l’anneau du LHC. Deux expériences dédiées l’une à l’étude de la physique de la beauté et en particulier à celle de la violation de la symétrie CP dans le système de B-meson (LHCb) ainsi qu’une expérience consacrée à l’étude des propriétés du plasma de quarks et de gluons (ALICE) seront installées aux points 2 et 8 du même anneau.

Le calendrier initial de mise en fonctionnement du LHC prévoyait que les premières collisions utilisables pour acquérir des données auraient lieu en 2005. Récemment le comité de pilotage du projet au niveau des instances du CERN, le LHCC (LHC Committee) a revu sa stratégie globale et l’établissement d’un nouveau planning[2] est en cours d’élaboration. La date des premières collisions à basse luminosité se trouve de fait repousser à la fin du premier semestre 2006. Ce report permettra en principe aux expériences du LHC de consolider leur calendrier de construction en utilisant de façon optimale leurs ressources financières.

L’expérience CMS

Les détecteurs, ainsi que l’électronique de lecture de ces détecteurs, constituant l’expérience CMS seront, comme on l’a dit précédemment, situés au point 5 du LHC à une profondeur de 89 mètres en dessous du niveau du sol naturel près du village de Cessy. Une première excavation d’une longueur de 53 mètres et de 26.5 mètres de largeur ayant pour axe la ligne des faisceaux de protons recevra les 12500 tonnes de CMS. Bien que qualifié de ‘compact’ cette expérience aura grossièrement la forme d’un cylindre de 22 mètres de longueur et de diamètre total égal à 15 mètres. L’électronique de traitement des signaux générés par les détecteurs sera quant à elle installée dans une seconde excavation située à environ 40 mètres de la première. Le système informatique d’enregistrement des données, situé pour sa part dans un bâtiment en surface, sera relié à l’électronique des détecteurs au moyen de liaisons par fibres optiques au travers d’un puits de 90 mètres de hauteur.

Les éléments des divers détecteurs seront descendus dans la caverne expérimentale au moyen d’un puits dont le diamètre sera de 20.4 mètres. A l’heure où nous rédigeons ce document les travaux de génie civil sont en voie d’achèvement. Ils ont nécessité la mise en œuvre d’une technique de congélation du sol permettant de forer un puits à travers la nappe phréatique. Bien que cette technique ait déjà été employée lors de la construction du LEP des difficultés sont survenues lors de la mise en froid du sol. Ces difficultés, maintenant résolues, ont étés à l’origine d’un retard sur le planning d’avancement des travaux de génie civil d’environ cinq mois.

Afin de mener à bien la construction et l’installation de l’ensemble des sous-détecteurs de l’expérience CMS, dont le coût total a été limité à 435 millions de francs suisses, une très importante collaboration internationale a été constituée. Celle-ci regroupe pas moins de 1800  chercheurs et ingénieurs provenant de 150 instituts répartis dans 32 pays[3]. Le reste de ce chapitre est entièrement consacré à la description des divers sous-détecteurs composant CMS. Plutôt qu’une description exhaustive de tous ces sous-détecteurs nous nous sommes attaché à faire une présentation des faits marquants qui sont intervenus ces derniers mois en ce qui concerne ces derniers.

L’aimant

La mesure de la valeur de l’impulsion transverse d’un muon est basée sur la mesure de la courbure de sa trace dans un champ magnétique. Dans le cas de l’expérience CMS le champ magnétique est créé par un solénoïde supraconducteur dont la longueur atteint 13 mètres. Ce . solénoïde délivre un champ de 4 Teslas. Le retour du flux magnétique est assuré par 1.8 mètre de fer instrumenté avec les chambres à muons . L’ensemble forme un cylindre aligné le long de l’axe du faisceau et est divisé en deux parties: la partie du tonneau d’une longueur totale égale à 21.6 mètres subdivisée elle-même en 5 anneaux adoptant une structure dodécagonale et la partie des bouchons adoptant une géométrie comportant 3 disques.

Table des matières

Introduction
1. Le Large Hadron Collider et CMS
1.1 Le LHC
1.2 L’expérience CMS
1.2.1 L’aimant
1.2.2 Le détecteur de traces
1.2.3 Le calorimètre électromagnétique
1.2.3.1 Le cristal de tungstate de plomb
1.2.3.2 Structure mécanique
1.2.4 Le calorimètre hadronique
1.2.5 Le détecteur de muons
1.2.6 Le système de déclenchement et d’acquisition
1.3 L’électronique du calorimètre électromagnétique
1.3.1 Electronique interne
1.3.2 Electronique externe
2. Réduction du volume des données par suppression d’information
2.1 Présentation du problème
2.1.1 Propriétés du flux entrant dans ULR
2.1.2 Définition d’un événement.
2.1.3 Contraintes sur le flux sortant de ULR
2.1.4 Critères pour la suppression d’information.
2.1.5 Conclusion
2.2 Elimination d’évènements
2.2.1 Informations du calorimètre électromagnétique pour le déclenchement
2.2.2 Algorithmes du déclenchement
2.3 Choix de la trame
2.3.1 Analyse du problème.
2.3.2 Estimation des énergies
2.3.3 Meilleurs choix de la trame
2.4 Suppression de canaux.
2.4.1 Bruit electronique
2.4.2 Basse luminosité
2.4.3 Haute luminosité
2.4.4 Un exemple de supression des canaux
2.5 Conclusion
3 Compression des données sans pertes
3.1 Introduction
3.2 Généralités sur les méthodes de compression présenté à partir du standard JPEG
3.2.1 Architecture du standard JPEG
3.3 Présentation des principales méthodes de compression sans pertes
3.3.1 Méthodes statistiques
3.3.1.1 Codage de Huffman
3.3.1.2 Codage de Huffman tronqué
3.3.1.3 Méthodes de type dictionnaire
3.3.2 Méthodes de décorrélation
3.3.2.1 Décorrélation par prédiction
3.3.2.2 Décorrélation par comparaison à un modèle de forme du signal
3.4 Comparaison d’un schéma de compression avec pertes versus suppression de données + compression sans pertes
3.5 Résultats du simulation
3.5.1 Codage de Huffman
3.5.2 Codage de Huffman tronqué
3.5.3 Méthodes de type dictionnaire
3.5.4 Conclusion
3.6 Circuits de compression disponible sur le marché
3.6.1 Circuit ALDC_40S
3.6.2 Circuit AHA3231
3.6.3 X-Match
3.7 Conclusion
4 Aspects théoriques
4.1 Insuffisances du Modèle standard
4.1.1 Le point de vue expérimental: oscillation des neutrinos
4.1.2 Le point de vue théorique
4.2 Supersymétrie
4.2.1 Principe
4.2.2 Lagrangiens supersymétriques
4.2.3 Récapitulation
4.3 Application de la supersymétrie au Modèle standard
4.3.1 Contenu en particule
4.3.2 Superpotentiel
4.3.3 La R-parité
4.4.4 Réponses aux insuffisances du Modèle standard
4.4 Brisure de la supersymétrie
4.4.1 Brisure douce
4.4.2 Brisure spontanée
4.5 Modèle GMSB
4.5.1 Modélisation
4.5.2 Spectre de masse et phénoménologie
4.6 Résumé
5. Recherche des sélectrons, netralinos et squarks dans le cadre du modèle GMSB
Conclusion

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