Complexe d’accélération

s = 8 TeV1. Cette première période de fonctionnement est couramment appelée Run 1. L’énergie au centre de

masse a été augmentée à^√s = 13 TeV pour le démarrage du Run 2, en juin 2015, pour une durée de 4 ans. Cette

augmentation d’énergie dans le centre de masse est justifiée par l’augmentation de la section efficace de production de particules lourdes, comme le boson de Higgs, découvert en 2012 par les expériences ATLAS et CMS, ou des particules hypothétiques de supersymétrie. Des lots de données plus petits ont été acquis avec des énergies de 2.76 TeV et 5.02 TeV par nucléon.

Les faisceaux de protons sont courbés par 1232 dipôles magnétiques supraconducteurs de 15 mètres de long et d’une intensité de 8.3 T. Chaque aimant est maintenu à une température de 1.9 K grâce à de l’hélium superfluide et est soumis à une intensité nominale de 11700 A (pour^√s = 14 TeV). La focalisation des faisceaux est assurée par 392

quadrupôles magnétiques, d’une longueur de 3 à 7 mètres. Environ 22 km de l’anneau sont courbés pour guider les faisceaux de protons accélérés par des cavités radiofréquence, les 5 km restants sont composés de 8 sections droites au niveau des points d’interaction, d’injection ou d’extraction des faisceaux.

Les deux faisceaux sont accélérés dans des direction opposées dans deux tubes maintenus sous vide. Ce doublement des tubes est propre aux collisionneurs de particules de même charge électrique et ne serait pas nécessaire pour des collisions proton-antiproton comme au Tévatron par exemple. Le choix de telles collisions a cependant été écarté, le taux de production d’antiprotons étant trop faible pour le LHC.

2.1.1 Complexe d’accélération

L’accélération des faisceaux de protons à leur énergie finale de collision s’articule en plusieurs étapes. Avant injection dans le LHC, les hadrons sont accélérés par une chaine d’accélérateurs linéaires et circulaires. Ce complexe d’accélération est illustré figure2.1. En premier lieu, les électrons de valence sont arrachés à des atomes d’hydrogène par application d’un champ électrique puissant. Les protons ainsi libérés sont accélérés jusqu’à une énergie de 50 MeV par l’accélérateur linéaire LINAC 2 (LINear ACcelerator ). Le faisceau est injecté dans le Proton Synchrotron Booster (PSB) portant son énergie à 1.4 GeV. Deux injections successives dans le Proton Sychrotron (PS) et le Super Proton Synchrotron (SPS)

2.1. Le grand collisionneur de hadrons (LHC)

permettent d’augmenter l’énergie de chaque faisceau jusqu’à 25 puis 450 GeV. Les paquets de protons, comptant 1:1 × 10¹¹ particules et espacés de 25 ns, sont alors injectés dans les deux tubes du LHC. Cette étape dure plusieurs minutes, et environ 15 minutes sont nécessaires pour atteindre l’énergie nominale. Ils sont accélérés jusqu’à l’énergie de collision par 16 cavités radiofréquence (RF) supraconductrices, soumises à une tension de 2 MV et oscillant à une fréquence de 400 MHz.

Figure 2.1 – Schéma du complexe d’accélération du CERN [57].

Les faisceaux entrent en collision en quatre points de section droite de l’anneau où sont situés les quatre détecteurs principaux des expériences ATLAS [58], CMS [59], LHCb [60] et ALICE [61]. Les deux premières : A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) et Compact Muon Solenoid (CMS) sont des expériences généralistes recherchant à comprendre le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible et des signes de Nouvelle Physique. Large Hadron Collider beauty experiment (LHCb) recherche des signes indirects de Nouvelle Physique grâce aux propriétés des mésons beaux (comptant un quark b) et à mieux comprendre l’asymétrie matière-antimatière dans l’univers. A Large Ion Collider Experiment (ALICE) étudie l’interaction forte au sein du plasma de quarks et de gluons.

2.1.2 Luminosité

La quantité de données récoltée est définie par la luminosité L, d’unité inverse de section efficace. Le nombre N d’évènements pour un processus se calcule alors simplement par le produit de sa section efficace de production ff par

la luminosité. La mesure de la luminosité intégrée L sur les périodes d’acquisition des données est présentée, pour l’expérience ATLAS, au paragraphe2.2.8. Le nombre d’évènements avec production d’une particule X s’écrit :

N(pp → X) =

Z

L(t) × ff dt = L × ff:

L, la luminosité instantanée, dépend des paramètres de faisceaux et s’exprime comme suit :

L = ^N

2

p× nb× frev

2ıffxffy

× F („_c; ff_{x ;y}; ff_s):

N_p est le nombre de protons par paquet, nb le nombre de paquets par faisceau, frev désigne la fréquence de révolution des particules accélérées2, ffx et ffy sont les déviations standards des largeurs transverses des faisceaux au niveau du point d’interaction et 2ıffxffy représente ainsi la surface transverse effective de collisions (sous l’hypothèse d’une distribution gaussienne des faisceaux). F est le facteur de réduction de luminosité dû à la géométrie des faisceaux au point d’interaction. F dépend de l’angle „c de croisement, de la taille des faisceaux et de la longueur des paquets ffs en moyenne quadratique. La taille des faisceaux peut être exprimée en fonction de l’émitance transverse normalisée "n et de la fonction ˛∗. Comme ffx ;y =p"n˛x ;y=‚r, avec ‚r le facteur relativiste (E=mproton), la luminosité instantanée peut alors s’exprimer comme :

L = ^N

2

p× nb× frev× ‚r 2ı"n˛∗ × F:

Dans une approximation gaussienne, le facteur de réduction F est défini comme [62] :

F = 0 @1 + ^„cffs 2ffxffy !21 A −1=2 :

La luminosité intégrée, L =R L dt s’exprime en barns inverses (1 barn = 1b = 10−28m2). Les mesures de luminosité sont cruciales pour les mesures de précision.

Les évènements d’intérêt au LHC proviennent des collisions proton-proton. À chaque croisement de paquets, un certain nombre de collisions pp inélastiques se produisent et sont appelées in-time pileup (empilement), noté —. En tant que distribution Poissonienne, sa valeur moyenne peut s’écrire :

— = ^{L × ffinel} nb× frev

:

ffinel est la section efficace inélastique totale, estimée par PYTHIA à 73 mb pour ^√s = 8 TeV et 78.4 mb pour

√

s = 13 TeV.

La table2.1 résume les paramètres opérationnels du LHC pour chaque période d’acquisition des données.

2.2 Le détecteur ATLAS

Les collisions proton-proton à haute énergie permettent la production de nombreuses particules. Nombre d’entre elles ont un temps de vie trop court pour être directement détectées et se désintègrent avant d’atteindre le détecteur. Ce dernier est organisé en couches concentriques, et les particules filles interagissent différemment avec ces sous-parties en fonction de leur nature. Cette interaction se traduit par une perte d’énergie des particules et une excitation des modules des sous-détecteurs. Cette énergie est convertie en un signal électronique enregistré et pouvant être analysé. Ces interactions successives permettent de mesurer l’énergie-impulsion des particules filles.

L’expérience ATLAS [58] est une des quatre expériences principales se tenant au LHC. Elle a pour but de tirer parti de l’énergie atteinte par le collisionneur pour observer des phénomènes de haute énergie impliquant des particules

2.2. Le détecteur ATLAS

Paramètre ^{Run 1 Run 2}

2010-2011 2012 2015 2016

Énergie au centre de masse (√

s) [TeV] 7 8 13 13

Espacement des paquets [ns] 50 50 50-25 25

Nombre maximal de paquets 1380 1380 2244 2200

Nombre de protons par paquet [×10¹¹] 1.45 1.6 1.15 1.15

Pic de luminosité [×1033cm−2s−1] 3.7 7.7 5.0 13.6

Luminosité intégrée [1 fb−1= 1039cm−2] 5.5 22.8 4.2 38.5

Empilement moyen 9 21 14 24

Table 2.1 – Paramètres opérationnels du LHC pour chaque période de prise de données [63,64].

massives ne pouvant être produites par les autres accélérateurs (ou en quantité insuffisante). Née en 1992 de la fusion de deux collaborations : EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements) et ASCOT (Apparatus with Super Conducting Toroids), elle est officialisée en 1995 et est rejointe par des laboratoires et universités du monde entier. À partir de 2001, le détecteur se construit pièce par pièce à travers toute la planète et chaque partie est acheminée au CERN jusqu’en 2008. Le 10 septembre de cette année, les premiers évènements sont détectés, grâce à un unique faisceau et le 23 novembre 2009 commencent les premières collisions proton-proton, à l’énergie d’injection (450 GeV par proton).

Désignée comme expérience généraliste, l’expérience ATLAS peut couvrir une large variété de phénomènes physiques de haute énergie. Le détecteur est conçu pour détecter des phénomènes de chromodynamique quantique, faire des mesures de précision dans le domaine électrofaible, et le domaine du quark top. L’expérience rayonne en 2012 avec la découverte du boson de Higgs, conjointe avec CMS. La recherche est aujourd’hui orientée vers les mesures de précision dans le domaine électrofaible (mesures dans le secteur du Higgs et du top par exemple) et la recherche directe de Nouvelle Physique, telle la supersymétrie.

Le détecteur a une symétrie cylindrique par rapport aux faisceaux de protons et est centré autour du point d’interaction. Avec 44 m de long et 25 m de large et de hauteur (immeuble de 9 étages) pour un poids d’environ 7000 tonnes, il s’agit du détecteur de particules le plus volumineux jamais créé autour d’un accélérateur. Un schéma en est donné figure2.2. La description suivante du détecteur se fait du cœur vers l’extérieur. On y trouve trois grands sous-détecteurs : le trajectographe, le calorimètre et le spectromètre à muons, capables de couvrir la quasi-totalité des 4ı d’angle solide. Ces différents types de détecteurs sont agencés de sorte que les particules sont stoppées progressivement selon leur type. Ainsi, à la fin de la chaine de détection, seuls les muons demeurent (les neutrinos, eux, ne sont pas détectés). La reconstruction de tous les objets est détaillée au chapitre3.