2.1.2 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) . . . 38 2.1.3 CMS (Compact Muon Solenoid) . . . 38 2.1.4 LHCb (a Large Hadron Collider Beauty experiment) . . . 39 2.2 L’exp´erience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) . . . . 39 2.2.1 La partie centrale . . . 40 2.2.2 Le spectrom`etre `a muons . . . 49 2.2.3 Les d´etecteurs situ´es aux petits angles . . . 54 2.2.4 Les services centraux . . . 59
Le d´etecteur ALICE est, avec ATLAS, CMS et LHCb, l’un des quatre d´etecteurs g´eants install´es aupr`es du nouvel acc´el´erateur de particules du CERN : le LHC. L’installation de la plupart des sous-d´etecteurs d’ALICE s’est achev´ee `a la fin de l’ann´ee 2007 et les premiers ´ev´enements cosmiques ont ´et´e observ´es au d´ebut de l’ann´ee 2008. Les premi`eres collisions de protons avec une ´energie dans le centre de masse de 900 GeV ont ´et´e enregistr´ees `a la fin de l’ann´ee 2009.
2.1 Le LHC et les exp´eriences de physique des
partic-ules
2.1.1 Le LHC (Large Hadron Collider)
Le LHC est le nouveau grand acc´el´erateur du CERN (cf. figure 2.1). Ce collisionneur de hadrons prend place dans un tunnel de 27 km de circonf´erence enterr´e `a la fronti`ere franco-suisse. Il reprend en cela l’ancien trac´e du LEP (Large Electron Positron). Il a ´et´e con¸cu pour atteindre, dans le cas des collisions de protons, une ´energie dans le centre de masse de 14 T eV , plus de sept fois l’´energie des collisions proton-antiproton au Tevatron du Fermilab. Comme l’illustre la figure 2.1, diff´erents acc´el´erateurs sont impliqu´es dans la chaˆıne d’acc´el´eration des faisceaux. Un acc´el´erateur lin´eaire, le LINAC 2, permet tout d’abord d’atteindre une ´energie de 50 M eV . Les protons sont ensuite inject´es dans le ”booster” qui
36 CHAPITRE 2. Le d´etecteur ALICE les acc´el`ere jusqu’`a une ´energie d’environ 1 GeV avant leur injection dans le PS (Proton Syn-chrotron) puis le SPS (Super Proton SynSyn-chrotron) qui permettent d’atteindre des ´energies de respectivement 26 et 450 GeV . Ils sont ensuite inject´es par paquets (ou ”bunch”) dans le LHC, dans les deux sens de rotation, o`u ils subissent une acc´el´eration jusqu’`a une ´energie maximale de 7 T eV avant d’entrer en collision au niveau de quatre points o`u sont implant´es les exp´eriences, d´egageant ainsi une ´energie dans le centre de masse de 14 T eV . Environ 2000 aimants supraconducteurs permettent la circulation des paquets de protons au sein du LHC. Ils n´ecessitent un syst`eme de cryog´enie complexe permettant le refroidissement par h´elium liquide `a leur temp´erature optimale de fonctionnement de 1.9 K. Afin de r´eduire au maximum les interactions avec des mol´ecules de gaz, les faisceaux circulent dans des tubes `a vide au sein desquels un vide pouss´e est cr´e´e.
En plus des protons, il est ´egalement pr´evu d’acc´el´erer des ions lourds tels que le plomb ou l’argon. La chaˆıne d’acc´el´eration est identique `a celle des protons, `a l’exception de la phase initiale d’acc´el´eration qui est r´ealis´ee par le LINAC 3. En collisions Pb-Pb, le LHC devrait permettre d’atteindre une ´energie maximale dans le centre de masse de la collision de 5.5 T eV /nucleon. Les principales caract´eristiques, en fonctionnement nominal, des collisions de protons et de plomb sont pr´esent´ees dans le tableau 2.1.
p-p Pb-Pb Energie par nucl´eon dans le centre de masse (T eV ) 14 5.5
Nombre de particules par paquet 1.1 · 1011 7 · 107
Espacement entre les paquets (ns) 25 100 Luminosit´e maximum (cm−2s−1) (IP2) 5 · 1030 1027
Tab.2.1 – Principales caract´eristiques, en fonctionnement nominal, des collisions de protons et de plomb [55]. Les valeurs de luminosit´e sont celles au point d’interaction d’ALICE (IP2). Notons que la luminosit´e maximum en collisions p-p est de 1034 cm−2s−1 aux niveaux des exp´eriences ATLAS ET CMS.
Sur une ann´ee civile, un mois sera consacr´e `a la physique des ions lourds. Le programme de physique d’ALICE [56] pr´evoit notamment l’´etude :
– des collisions Pb-Pb qui repr´esente le coeur du programme scientifique d’ALICE ; – des collisions d’ions de masse inf´erieure tel que Argon-Argon pour lesquelles les densit´es
d’´energie atteintes sont inf´erieures `a celles en collisions d’ions plomb ; – des collisions de type p-Pb (p-Pb, d-Pb, α-Pb, Pb-p, ...) ;
– des collisions p-p `ap(s) = 5.5 T eV et toute autre ´energie.
Les deux derniers syst`emes fourniront des donn´ees de r´ef´erence utiles, entre autre, pour la compr´ehension des effets nucl´eaires froids (cf. §1.3.2).
Le LHC a ´et´e inaugur´e en septembre 2008 mais un incident technique [57] survenu trois semaines plus tard a contraint `a stopper son exploitation pendant plus d’un an afin d’effectuer d’importantes r´eparations et am´eliorations. Son exploitation a repris au mois de d´ecembre 2009 o`u les premi`eres collisions de protons avec indication”faisceaux stables” ont pu ˆetre observ´ees par les d´etecteurs. Le LHC n’op´erant alors aucune mont´ee en ´energie, l’´energie dans le centre de masse des collisions ´etait de 900 GeV , soit deux fois l’´energie d’injection des faisceaux depuis le SPS. Depuis mars 2010, il fonctionne avec une ´energie de 3.5 T eV par
2.1. Le LHC et les exp´eriences de physique des particules 37
Fig. 2.1 – Complexe des acc´el´erateurs du CERN, des LINAC au LHC. Les quatre points d’interaction correspondant aux quatre principaux d´etecteurs sont ´egalement indiqu´es.
38 CHAPITRE 2. Le d´etecteur ALICE faisceau, soit 7 T eV dans le centre de masse des collisions p-p, ce qui en fait l’acc´el´erateur de particules le plus puissant ayant jamais ´et´e en service. Il est pr´evu d’op´erer le LHC `a cette ´energie durant toute l’ann´ee 2010 et 2011. Les premi`eres collisions d’ions plomb sont attendues au mois de novembre 2010 `a une ´energie de 2.76 T eV /nucleon.
2.1.2 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) [58] est, avec CMS, un des deux d´etecteurs de physique des particules `a vocation g´en´eraliste. Ayant la forme d’un cylindre de 46 m de long et de 22 m de diam`etre, pour un poids total de 7000 tonnes, ATLAS est le plus imposant des cinq d´etecteurs du LHC. Il est principalement d´edi´e `a l’´etude des collisions de protons, bien qu’un programme de recherche portant sur l’´etude du plasma de quarks et de gluons lors des collisions d’ions lourds ait ´et´e d´evelopp´e. Son programme de recherche en p-p est ax´e sur :
– la recherche du boson de Higgs ;
– la recherche de nouvelles particules, notamment pr´edites dans le cadre des mod`eles supersym´etriques ;
– l’´etude du quark top : mesure de sa masse, propri´et´es de d´esint´egration ; – l’´etude de la violation de sym´etrie CP ;
– la recherche de dimensions suppl´ementaires.
Le point d’interaction d’ATLAS est ´egalement utilis´e par un second d´etecteur de taille beaucoup plus modeste : LHCf (Large Hadron Collider forward) [59]. Il est constitu´e de deux petits ensembles de calorim`etres (30 cm de long pour 80 cm de haut) situ´es `a 140 m de part et d’autre de la caverne ATLAS et couvrant l’intervalle en pseudo-rapidit´e η > 8.4. Les objectifs physiques affich´es par LHCf se concentrent sur l’´etude des particules neutres produites vers l’avant lors des collisions afin de comprendre l’´evolution des cascades de particules. Le but principal est d’affiner les mod`eles de d´eveloppement des gerbes qui sont notamment utilis´es pour la calibration des d´etecteurs de rayonnement cosmiques de tr`es grande surface comme, par exemple, le d´etecteur Auger [60].
2.1.3 CMS (Compact Muon Solenoid)
CMS (Compact Muon Solenoid) [61] est le second d´etecteur `a vocation g´en´eraliste du LHC. Il pr´esente des dimensions inf´erieures `a celles d’ATLAS (cylindre de 21 m de long et de 15 m de diam`etre) pour un poids total bien sup´erieur (12 500 tonnes). Tout comme ce dernier, il est principalement d´edi´e `a l’´etude des collisions de protons. Il poursuit par ailleurs les mˆemes objectifs physiques en utilisant des techniques d’instrumentation et un design g´en´eral diff´erents.
Le d´etecteur CMS pr´esente ´egalement un programme d’´etude des collisions d’ions lourds relativement important. Il pourra en particulier mesurer la suppression des ´etats li´es de la famille du Υ avec une r´esolution en masse meilleure que 100 M eV /c2.
TOTEM (TOTal Elastic Measurement)[62], un second d´etecteur ind´ependant de CMS est implant´e au mˆeme point d’interaction. Il est d´edi´e `a l’´etude des processus diffractifs et de diffusion ´elastique ainsi qu’`a la mesure de la section efficace totale en collisions p-p. Il est
2.2. L’exp´erience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) 39