Noms Champ MS superpartenaire SU(3) SU(2) U(1)
quark, squarks, (uLdL) (ueLdeL) 3 2 1 6 (3 families) uR ueR 3 1 −2 3 dR deR 3 1 13 leptons, slepton, (νLeL) (eνLeeL) 1 2 −1 2 (3 families) eR eeR 1 1 1 higgs, higgsino (Hu+Hu0) ( eHu+Heu0) 1 2 12 (Hd0Hd−) ( eHd0Hed−) 1 2 −1 2 gluons, gluinos g eg 8 1 0 W boson, winos W±, W3 Wf±, fW3 0 3 0 B boson, bino Bµ Beµ 0 1 0
TABLEB.1 – Contenue en particule du MSSM
B.2 L’expérience ATLAS, le LHC et leurs améliorations
B.2.1 Le Grand Collisionneur de Hadrons
Le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est un accélérateur de particules de 27 km de long. Ce collisionneur a été conçu pour enregistrer des collisions pp avec une énergie dans le centre de masse de √
s = 14 TeV, des collisions plomb-plomb et proton-plomb peuvent également être faites pour étudier le plasma de quarks et de gluons. Le projet LHC fut approuvé en 1994, sa construction a ensuite commencé en 2000 au CERN dans l’ancien tunnel du Grand Col-lisionneur électron-positron (LEP). Depuis 2010 le LHC enregistre des données, les objectifs principaux de ce programme sont la découverte du boson de Higgs, ce qu’il accomplit en 2012, l’étude du MS et la recherche de nouvelle physique au-delà du MS.
LINAC 2 North Area LINAC 3 Ions East Area TI2 TI8 TT41 TT40 CLEAR TT2 TT10 TT66 e-ALICE ATLAS LHCb CMS SPS TT20 n p p RIBs p 1976 (7 km) ISOLDE 1992 2016 REX/HIE 2001/2015 IRRAD/CHARM BOOSTER 1972 (157 m) AD 1999 (182 m) LEIR 2005 (78 m) AWAKE n-ToF 2001 LHC 2008 (27 km) PS 1959 (628 m) 2011 2016 2015 HiRadMat GIF++ CENF
p (protons) ions RIBs (Radioactive Ion Beams) n (neutrons) –p (antiprotons) e- (electrons)
2016 (31 m) ELENA
LHC - Large Hadron Collider // SPS - Super Proton Synchrotron // PS - Proton Synchrotron // AD - Antiproton Decelerator // CLEAR - CERN Linear Electron Accelerator for Research// AWAKE - Advanced WAKefield Experiment // ISOLDE - Isotope Separator OnLine // REX/HIE - Radioactive EXperiment/High Intensity and Energy ISOLDE // LEIR - Low Energy Ion Ring // LINAC - LINear ACcelerator// n-ToF - Neutrons Time Of Flight //
HiRadMat - High-Radiation to Materials // CHARM - Cern High energy AcceleRator Mixed field facility // IRRAD - proton IRRADiation facility //
GIF++ - Gamma Irradiation Facility // CENF - CErn Neutrino platForm
2017
The CERN accelerator complex
Complexe des accélérateurs du CERN
Le LHC est la dernière étape dans la chaîne d’accélération installée au CERN comme on peut le voir FigureB.2. En effet pour accélérer des particules, des protons en l’occurrence, ces dernières doivent passer par une série d’accélérateurs qui vont chacun augmenter un peu plus l’énergie des protons. Un champ magnétique est appliqué aux particules pour les forcer à main-tenir une orbite circulaire, en un point de cette orbite les particules sont soumis à un fort champ électrique qui va permettre leur accélérations
Les protons dans l’accélérateur sont groupés par paquets, chaque paquet contenant au alen-tour de 1.15 × 1011 protons. Chacun de ces paquets est séparé du suivant par 25 ns, soit la période de collision de l’accélérateur. Du fait de la grande quantité de protons présents dans chaque paquet, la probabilité d’interaction de deux protons lors d’une collision peut être rela-tivement élevée et amener à plusieurs interactions par croisement de faisceau. Ce phénomène est connu sous le nom d’empilement, et correspond aux interactions supplémentaires qui ont lieu en même temps que l’interaction d’intérêt.
Les collisions de particules ont lieu en quatre points le long de l’accélérateur. A chacun de ces point de collision correspond une expérience différente : ATLAS, CMS, LHCb et ALICE. Les études présentées dans cette thèse concernent l’expérience ATLAS.
B.2.2 L’Expérience ATLAS
ATLAS (A Thoroidal LHC Apparatus) est une expérience généraliste avec un programme de physique centré sur la mesure des propriétés du Boson de Higgs et la recherche de nouvelle physique. Une vue schématique d’ATLAS et ce ses sous composants est montrée FigureB.3.
B.2. L’expérience ATLAS, le LHC et leurs améliorations 145
Ce dernier est composé de différents sous-détecteurs :
• Le Détecteur Interne. Composé de plusieurs trajectographes fortement segmentés, il va ainsi permettre de reconstruire la trajectoire et l’impulsion des particules chargées qui le traversent. Pour déterminer la valeur de cette dernière on utilise la mesure de la cour-bure des trajectoires dans le champ magnétique. La deuxième fonction de ce détecteur est l’identification des points d’interaction primaires et secondaires et de séparer les in-teractions d’empilement des inin-teractions de signal.
• Les Calorimètres. Il s’agit d’une combinaison de matériaux actifs et passifs qui vont in-dure la création de gerbe au passage des particules, permettant la mesure de l’énergie de ces dernières. Ils sont composés de deux parties, un calorimètre électromagnétique, placé en premier qui mesure entièrement l’énergie des électrons et des photons et d’un calorimètre hadronique placé après qui mesurera l’énergie restante des hadrons le tra-versant et les arrêtent.
• Le Spectromètre à Muons. Placé à la périphérie du détecteur, il est également consti-tué de trajectographes moins segmentés que le Détecteur Interne. La combinaison des informations provenant de ces deux détecteurs permet la reconstruction des muons. Une fois que les signaux provenant des différents sous-détecteurs ont été collectés, des algo-rithmes sont appliqués pour pouvoir reconstruire les différents objets physiques. Chaque type de particule va laisser un signal spécifique dans chacun des sous-détecteurs, en combinant l’ensemble des informations de ces derniers il est donc possible de reconstruire la nature de la particule à l’origine de ces signaux. Cette étape est extrêmement importante car les analyses de physique vont ensuite se baser sur les différents objets reconstruits pour définir leur séparation du signal et du bruit de fond.
B.2.3 Les Améliorations du LHC et d’ATLAS
Le Grand Collisionneur de Hadrons à Haute luminosité (HL-LHC) est la seconde phase du programme du LHC, son commencement est prévu pour début 2026. Le principal objectif du HL-LHC est l’augmentation de la luminosité instantanée de 1.5 × 1034cm−2s−1 jusqu’a 7.5× 1034cm−2s−1. Cette luminosité étant liée aux paramètres de l’accélérateur est directement proportionnelle au nombre d’événements observés, une augmentation de cette dernière per-met donc d’augmenter la statistique disponible pour les analyses de physique et d’améliorer leurs performances. Les plans pour les améliorations du LHC sont présentées en FigureB.4.
Pour l’accélérateur, les améliorations consistent principalement en l’installation d’aimants plus puissants. Il sera ainsi possible d’obtenir des paquets de protons plus petits mais conte-nant plus de protons, augmentant de ce fait la densité de protons dans les paquets. Cette aug-mentation de la densité résultera en une chance accrue d’interaction entre les protons lors des collisions et donc à une plus grande luminosité. Malheureusement cette augmentation de la lu-minosité se transcrit aussi sous forme d’une augmentation de l’empilement et de l’irradiation des détecteurs, ce qui conduira à d’une baisse de performance. Pour compenser ces effets une amélioration des différents détecteurs est également prévue.
L’objectif principal des améliorations d’ATLAS est de maintenir des performances au moins aussi bonnes que celles obtenues au LHC et si cela s’avère possible d’améliorer celles-ci.
FIGUREB.4 – Plan pour l’amelioration du LHC vers le HL-LHC.
L’amélioration principale prévue est de remplacer l’actuel détecteur interne par le nouveau trajectographe Interne (ITk). Ce nouveau détecteur sera constitué uniquement de capteurs en silicium permettant une meilleure résistance aux radiations. La segmentation sera améliorée d’un facteur passant de 50 µm× 250 µm à 50 µm × 50 µm pour les couches les plus internes, cela permettra d’améliorer la résolution spatiale du détecteur et de pouvoir ainsi plus facilement séparer les particules provenant de l’interaction principale de l’empilement. Finalement pour améliorer les performances vers l’avant, la couverture qui va actuellement jusqu’à |η| = 2.5 sera étendue jusqu’à|η| = 4.
En plus des améliorations du trajectographe, l’électronique du calorimètre sera remplacé pour le HL-LHC ce qui permettra ainsi d’améliorer sa segmentation de lecture. Finalement, pour réduire les effets de l’empilement et améliorer les performances du détecteur ATLAS vers l’avant, un nouveau détecteur de temps appelé le HGTD sera installé pour le HL-LHC, ce dernier sera présenté plus en détail dans la SectionB.5.