Fig.2.11 – Repr´esentation du point d’interaction au centre de l’exp´erience ATLAS.
(essentiellement du gaz) qui pourraient d´evier les faisceaux hors des tubes et causer le quenching des aimants. En fonction du mode de fonctionnement, la pression va varier entre 10−10 et 10−11
mbar. Cette pression sera celle qui r`egnera dans les tubes dans les parties `a temp´erature ambiante. Les tubes se croisent au centre des diff´erentes exp´eriences afin de permettre les collisions entre les paquets des deux faisceaux comme pr´esent´e sur la figure 2.11.
Au niveau du point d’interaction, comme le montre la figure 2.11, un syst`eme d’aimants qua- drupolaires est utilis´e dans le but de collimer les faisceaux afin d’augmenter la luminosit´e.
Les faisceaux s’´elargissent ensuite et les protons n’ayant pas interagi recirculent dans leur tubes respectifs jusqu’`a la prochaine collision et ce jusqu’`a ce que les faisceaux soient extraits de la machine.
Les protons qui sont utilis´es au LHC sont inject´es en sortie du r´eseau d’acc´el´erateurs (voir la figure 2.6) dans le LHC par deux points d’entr´ee situ´es entre les exp´eriences ALICE et ATLAS et ATLAS et LHCb.
Pour des raisons techniques, essentiellement aussi pour ´eviter de reproduire l’incident de 2008 (voir [68]), le LHC n’a pas encore atteint son r´egime nominal avec une ´energie de 14 TeV et pour l’instant celui-ci a pu produire des faisceaux de protons de 900 GeV, 2.96 TeV, 7 TeV et finalement de 8 TeV dans le centre de masse des protons en 2012.
Six exp´eriences ont ´et´e install´ees sur son parcours afin de pouvoir ´etudier les diff´erentes pro- pri´et´es de la mati`ere au del`a de l’´echelle ´electrofaible. Les deux premi`eres exp´eriences dont nous avons parl´e ´etaient ATLAS et CMS. Les quatre autres sont LHCb, Alice, LHCf et Totem qui seront d´ecrites bri`evement dans la suite de ce chapitre.
2.4
Contraintes exp´erimentales sur la conception des d´etecteurs
de particules
Les exp´eriences de physique des particules doivent naturellement respecter certaines contraintes pour permettre la reconstruction des particules provenant soit de leur production directe ou de la
2.4. CONTRAINTES EXP ´ERIMENTALES SUR LA CONCEPTION DES
D ´ETECTEURS DE PARTICULES 2.4
Fig. 2.12 – R´epr´esentation sch´ematique des propri´et´es d’interaction de diff´erents objets dans les sous-d´etecteurs de l’exp´erience ATLAS.
d´esint´egration de particules instables. Toutefois, les strat´egies mises en place pour satisfaire ces contraintes sont tr`es diff´erentes d’une exp´erience `a une autre.
Plutˆot que de d´etailler les diff´erentes strat´egies pouvant ˆetre d´evelopp´ees, nous pr´esentons dans cette partie les principes g´en´eraux `a la base de la conception de diff´erents d´etecteurs.
Des exp´eriences comme Alice ou LHCb ont des probl´ematiques tr`es particuli`eres et les strat´egies mises en place peuvent ˆetre sensiblement diff´erentes par rapport `a celles mises en place par les exp´eriences ATLAS et CMS et nous ne rentrerons donc pas dans les d´etails de ces exp´eriences.
La figure 2.12 repr´esente une vue sch´ematique d’une coupe du d´etecteur ATLAS dans lequel interagissent diff´erentes particules.
Avant tout chose, il est n´ecessaire de rappeler que seuls le photon, l’´electron, le muon, le proton, le neutron, les pions et les kaons ont des dur´ees de vie suffisamment longues pour ˆetre d´etect´es dans les d´etecteurs les plus ´eloign´es du point d’interaction. N´eanmoins, les m´esons et baryons contenant un quark b peuvent avoir des dur´ees plus longues que le quark b seul ou d’autres m´esons et baryons du fait de r`egles de s´election. Il peuvent ˆetre d´etect´es au plus proche du point d’interaction et cette propri´et´e peut ˆetre utilis´ee pour leur d´etection.
Les diff´erentes exp´eriences que nous avons pr´ec´edemment cit´ees doivent ˆetre capables de per- mettre la d´etection et la mesure des propri´et´es des particules cit´ees sur un tr`es grand intervalle angulaire et d’impulsions.
Une grande gamme de signaux est attendue au LHC et il faut permettre la reconnaissance de 60
2.4
2.4. CONTRAINTES EXP ´ERIMENTALES SUR LA CONCEPTION DES D ´ETECTEURS DE PARTICULES
ces diff´erents signaux afin de maximiser les chances de d´ecouverte de nouvelles particules. Ces exp´eriences doivent ˆetre capables de reconstruire les produits de d´esint´egration photoniques, leptoniques et hadroniques et de diff´erencier des produits de d´esint´egration ´electromagn´etiques des produits de d´esint´egration hadroniques.
De plus un grand pouvoir de discrimination entre les particules et les antiparticules est requis pour mesurer la charge des particules originelles (par exemple le Higgs, le boson Z, les bosons W±)
ou des particules telles que les particules supersym´etriques. Ceci peut ˆetre r´ealis´e en appliquant un champ magn´etique autour d’un d´etecteur de traces pour mesurer avec pr´ecision la direction des particules au sein du d´etecteur de traces.
Bien sˆur il faut que ces exp´eriences soient capables de mesurer avec pr´ecision les propri´et´es cin´ematiques des diff´erentes particules qui sont reconstruites dans les d´etecteurs. Ainsi les exp´erien- ces doivent avoir une bonne r´esolution en ´energie et en masse invariante des paires de hadrons.
De nombreuses particules qui existent dans des mod`eles d´evelopp´es au cours des derni`eres ann´ees ne sont pas d´etectables dans le cas des neutralinos en supersym´etrie ou se d´esint`egrent en neutrinos et ne sont de fait pas d´etectables. Il est donc indispensable de mesurer pr´ecis´ement la quantit´e d’´energie manquante pr´esente ´ev`enement par ´ev`enement.
La mesure de certaines propri´et´es li´ees `a l’existence de sym´etries internes comme par exemple le spin du boson de Higgs implique la reconstruction de leptons tau. Le quark top et les quarks de quatri`eme g´en´eration, si ces derniers existent, se d´esint`egrent principalement en quark b du fait des ´elements de la matrice CKM. Il est donc imp´eratif de diff´erentier les jets de quarks b. Par ailleurs il peut ˆetre parfois utile de diff´erentier les jets provenant de la d´esint´egration de quarks charm´es des jets de quarks l´egers ou de gluons.
Cette distinction n’est possible qu’en d´etectant les vertex secondaires d´ecal´es de l’axe du faisceau du fait du temps de vie relativement long de ces quarks.
Ces exp´eriences sont soumises `a de hautes doses de radiation ce qui cause une d´egradation pr´ecoce des d´etecteurs, notamment des d´etecteurs de traces. De fait les d´etecteurs mais aussi l’´electronique du syst`eme d’acquisition doivent ˆetre con¸cus de mani`ere `a ˆetre intrins`equement r´esistants, et prot´eg´es contre ces radiations par un syst`eme de bouclier.
2.4.1
Agencement des diff´erents d´etecteurs
Certains principes de base doivent ˆetre appliqu´es si l’on veut permettre la d´etection et la discrimination des diff´erentes particules. Ces principes reposent simplement sur du bon sens et une connaissance simple des ph´enom`enes physiques qui rentrent en jeu lors de l’interaction des particules avec un milieu mat´eriel.
Syst`eme de calorim´etrie
Un calorim`etre permet de mesurer l’´energie des particules ce qui impose que ces particules doivent d´eposer toute leur ´energie dans un tel d´etecteur. La mesure est donc destructive et ne permet pas la mesure ult´erieure des autres propri´et´es cin´ematiques des particules qui s’arrˆetent dans ce d´etecteur. D`es lors la mesure de l’impulsion doit se faire avant la mesure de l’´energie et ceci est possible en pla¸cant un d´etecteur de traces en amont du syst`eme de calorim´etrie.
Spectrom´etrie `a muons
Les muons de haute ´energie comme ceux que l’on d´etecte dans les exp´eriences de physique des particules sont des MIP (Minimum Ionizing Particules), c’est `a dire que ces particules d´eposent
2.5. L’EXP ´ERIENCE ATLAS 2.5