Un peu d’histoire et d’actualit´e

2.2 L’exp´erience ALICE . . . . 56

2.2.1 Vue d’ensemble . . . 56 2.2.2 Les d´etecteurs `a rapidit´e centrale . . . 57 2.2.3 Les d´etecteurs `a grande rapidit´e . . . 62 2.2.4 Le syst`eme de d´eclenchement d’ALICE . . . 64

2.3 ALICE et la premi`ere ann´ee de prise de donn´ees . . . . 66

R´esum´e

N

au moment de l’interaction et ne proviennent pas de d´ecroissances de hadrons, pour comprendre et contraindre les diff´erents ingr´edients des mod`eles th´eoriques calculant les processus durs (pQCD), mais ´egalement pour tenter de caract´eriser le QGP. Les moyens d’´etude de la physique des particules sont nombreux, mais le LHC est certainement le projet le plus monumental qui lui ait jamais ´et´e consacr´e. Dans ce chapitre, le collisionneur LHC et l’exp´erience ALICE sont bri`evement d´ecrits.

50

CHAPITRE 2. L’EXP ´ERIENCE ALICE AU LHC

Le LHC (Large Hadron Collider) [71] est un grand acc´el´erateur de particules, qui a ´et´e mis en op´eration fin 2009 au CERN (Centre Europ´een de Recherche Nucl´eaire), pr`es de Gen`eve, `a la fronti`ere entre la France et la Suisse. Implant´e dans l’ancien tunnel circulaire du LEP (Large Electron Positron Collider), d’une circonf´erence de 27 km et `a une profondeur allant jusqu’`a 100 m, il permet d’acc´el´erer des hadrons `a des ´energies jamais atteintes auparavant dans un collisionneur.

FIGURE2.1 – Croquis du tunnel du LHC et de ses principales exp´eriences.

Sept exp´eriences sont install´ees aupr`es de cet acc´el´erateur. Quatre principales :

- ATLAS [72] (A Toroidal LHC ApparatuS), dont le but principal sera de mettre en ´evidence le boson de Higgs et de la physique au d´el`a du Mod`ele Standard (e.g. des particules super-sym´etriques) en collisions proton-proton ;

- CMS [73] (Compact Muon Solenoid) [74] ´egalement d´edi´ee `a la recherche du boson de Higgs et de la nouvelle physique. Elle aura aussi l’ambition d’´etudier les ´ev`enements issus des collisions d’ions lourds et tester ainsi les principes de la QCD ;

- ALICE [75] (A Large Ion Collider Experiment) sera d´edi´ee `a l’´etude de la QCD en collisions p-p et de la mati`ere de quarks et gluons via les collisions d’ions lourds. Elle fera l’objet du chapitre suivant ;

- LHCb [76] (Large Hadron Collider-beauty) est destin´ee `a l’´etude de la violation CP via la production des quarks b ;

Trois autres exp´eriences, certes de moins grande envergure, mais n´eanmoins d’int´erˆet certain, compl`etent le dispositif LHC :

- TOTEM [77] (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) charg´ee de mesurer les interactions ´elastiques des collisions p-p, `a tr`es petits angles et ainsi calculer, entre autres, la taille du proton ou la luminosit´e au LHC ;

- LHCf [78] (Large Hadron Collider-forward), destin´ee `a ´etudier la production de particules neutres `a tr`es grande rapidit´e, pour contraindre les mod`eles d’interaction des rayons cosmiques de tr`es grandes ´energies avec l’atmosph`ere ;

- MoEDAL [79] ´etudiera la possible production de nouvelles particules massives stables (comme des mo- nop ˆoles magn´etiques) fortement ionisantes.

51

FIGURE2.2 – Le LHC en images.

FIGURE2.3 – Le diagramme de Livingston repr´esentant les diff´erents acc´el´erateurs et collisionneurs en fonction

52

CHAPITRE 2. L’EXP ´ERIENCE ALICE AU LHC

2.1

Le Large Hadron Collider

2.1.1

Un peu d’histoire et d’actualit´e

2.1.1.1

Gen`ese d’un projet, du LEP au LHC

Quelques rep`eres chronologiques permettront de comprendre la longue gen`ese du projet LHC, pour lequel il aura fallu plus de 25 ans, depuis sa conception jusqu’`a sa mise en marche. En 1954 naˆıt, au CERN, le premier acc´el´erateur synchrotron de protons (sur cible fixe) : le PS (Proton Synchrotron). Il atteindra, dans le r´ef´erentiel du laboratoire, une impulsion de 30 GeV/c. Il donnera naissance, en 1976, au SPS (Super Proton Synchrotron), qui, aliment´e par le PS, acc´el`ere les protons jusqu’`a 300 GeV/c. Puis, pour augmenter encore l’´energie disponible dans le centre de masse, les collisionneurs, qui sont les machines de pointe actuelles, ont fait leur apparition. Dans les ann´ees 70-80, le collisionneur ISR (Intercepting Storage Ring) r´ealise des collisions p-p jusqu’`a√s= 63 GeV.

En 1981, le SPS est transform´e en collisionneur SpS et fait collisionner des protons et anti-protons `a plusieurs centaines de GeV. Puis l’anneau du LEP (Large Electron Positron) est construit entre 1980 et 1990. Il permettra d’acc´el´erer des ´electrons et positrons jusqu’`a environ 100 GeV, aliment´e par `a la fois le PS et le SPS. Le diagramme de Livingston, repr´esent´e sur la figure 2.3, montre la croissance exponentielle de l’´energie des faisceaux acc´el´er´es jusqu’`a nos jours.

Alors que commenc¸aient les premiers travaux pour la construction du LEP, en 1981, il paraissait d´ej`a ´evident qu’il fallait anticiper, afin que le tunnel p ˆut ´eventuellement accueillir la g´en´eration suivante de collisionneurs. En 1984, dans le cadre du comit´e europ´een sur les futurs acc´el´erateurs, la question est pos´ee de savoir si un grand collisionneur de protons, construit dans le tunnel du LEP, serait un instrument appropri´e. En d´ecembre 1991, le conseil du CERN admet dans une d´eclaration historique que≪le LHC est la machine qui convient pour assurer la poursuite de la mission du CERN et l’avenir de celui-ci≫.

Il existe quatre cat´egories de collisionneurs : – ´electrons contre positrons : SLAC, LEP ; – ´electrons contre protons : HERA ;

– hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton contre antiprotons) : SpS, RHIC, Tevatron, LHC ; – ions contre ions1: RHIC et LHC.

Par ailleurs, sont ´egalement envisag´ees des collisions ´electrons contre ions (projets eRHIC et LHeC).

2.1.1.2

Qu’en est-il aujourd’hui

Une date historique a ´et´e le 10 septembre 2008, date `a laquelle le LHC a ´et´e mis en marche et les deux faisceaux avaient alors correctement circul´e. Les phases de r´eglages ont continu´e jusqu’`a l’incident du 19 septembre 2008. En effet, lors des essais d’alimentation du circuit des dip ˆoles principaux dans le secteur 3-4 du LHC2, la d´efaillance d’une connexion ´electrique s’est produite, dans une r´egion situ´ee entre un dip ˆole et un quadrip ˆole, ce qui a entraˆın´e des d´et´eriorations m´ecaniques et une fuite d’h´elium des masses froides des aimants vers le tunnel. Suite `a cet incident, un nouveau calendrier de red´emarrage du LHC a ´et´e annonc´e. Le 20 Novembre 2009, les faisceaux de protons circulent `a nouveau dans le LHC. Un mois de prise de donn´ees fructueux a eu lieu, ce qui a permis de recueillir suffisamment de donn´ees p-p `a√s= 900 GeV et `a 2.37 TeV pour pouvoir calibrer les d´etecteurs et sortir

les premiers r´esultats. Un court arrˆet technique a ´et´e instaur´e pendant la p´eriode des fˆetes de fin d’ann´ee.

Le LHC fonctionne depuis mars 2010 sans interruption en collisions p-p `a√s = 7.0 TeV. D’ici `a la fin 2011,

on s’attend `a accumuler une luminosit´e integr´ee (cf section 2.1.2.1) de 1 fb−1, ce qui permettra aux exp´eriences de disposer de suffisamment de donn´ees pour effectuer les premi`eres analyses dans le cadre du Mod`ele Standard (mesures QCD et ´electrofaibles), visant la nouvelle physique. Le nouveau calendrier, donn´e `a Chamonix en f´evrier 2010, pr´evoit aussi des collisions de plomb, en novembre 2010 et 2011.

1. L’ISR avait aussi r´ealis´e des collisionsα−α`a√s∼30 GeV.

2.1. LE LARGE HADRON COLLIDER

53