Le LHC au CERN

L'unedesfor esduCERNatoujoursétédesavoiraugmenterl'énergiede ses fais eaux en utilisant ses a élérateurs déjà existants omme inje teurs pour les nouvelles ma hines. C'est ainsi que lesyn hrotron à protons (PS), onstruiten1959,aétéprolongéparlesupersyn hrotronàprotons(SPS)en 1976,et 'est e dernierquiservirad'inje teur au LHC.Deplus, le Large HadronColliderserapla édansletunnelquiavaitété reusépourleLEP. C'est pour ette raison, omme nous l'avons déjà signalé, que e olli- sionneuradûêtredémonté en2000 pourlaisserlapla eàsonsu esseur, e quiaobligélesphysi iensàarrêterleursexpérien essur ettema hine,alors même qu'ils entrevoyaient e qui pouvait être des indi es de la produ tion

Fig. 2.11 Luminositéintégrée au Tevatron

Fig. 2.12  Vue aérienne du CERN. Les ollisionneurs sont représentés en blan .

Le LHC sera un ollisionneur proton-proton, e qui présente un grand avantage sur les ollisionneurs proton-antiproton - il est plus fa ile d'obte- nirun fais eau de protons qu'un fais eaud'antiprotons - mais omplique le dispositif d'a élération. En eet, le LHC sera onstitué de deux anneaux omplets,unpour haquefais eaude protons,tandisquedansle asde ol- lisions proton-antiproton, le même syn hrotron (SPS dansles années 1980, Tevatron aujourd'hui)peutservir à l'a élération desdeux fais eaux.L'en- semble de la haîne a élératri e du LHC est représenté sur la gure 2.13. Un a élérateur linéaire, le LINAC a élère les protons à

50 MeV

. Ils sont ensuite repris par un Booster, qui porte ette énergie à

1, 4 GeV

. Les pro- tons sont alors inje tés dans lePS qui les a élère jusqu'à

25 GeV

,énergie à laquelle le SPS les prend en harge pour les inje ter à

450 GeV

dans le LHC. Cette phase d'inje tion est omplexe, puisqu'elle on erne deux fais- eaux,qui ir uleront ensensinversesdans esyn hrotrongéant,etdont les paquetsdoivent in ne parvenir auxpointsde ollisionde façon syn hrone. Le LHC est a tuellement en n de onstru tion, sa miseen fon tionne- ment étant prévue pour 2007. Il omprendra deux lignesd'a élération dis- tin tes,entièrementéquipéesd'élémentssupra ondu teurs.Environ1200ai- mants (dipoles) seront utilisés pour dévier les protons an de maintenir la ourbure de leur traje toire - un er le de 27 km de ir onféren e - pen- dant toutle temps de l'a élération. Ces aimants fon tionneront à1,9 Ket produiront des hamps magnétiques de 8,4 teslas. Ces grandes valeurs du hampmagnétiquesonteneet indispensablespourimposeràdesfais eaux de protons 7 TeV de ir uler dans un anneau de même rayon de ourbure queleLEP,etseulelate hnologiedesaimantssupra ondu teursest apable d'assurer detels hamps.

Notons que le LHC a élèrera également des fais eaux de plomb, et les ollisions de es ionslourds seproduiront àl'énergiede 5,5TeV.

Commedansle asduLEP,quatreexpérien es, 'est-à-direquatregrands déte teurs,ALICE,ATLAS,CMSetLHC-B,serontinstallées auxpointsde roisement desfais eaux du ollisionneur.

L'expérien e ALICEsera onsa réeà l'étudedu plasmade quarkset de gluons, et e sont don les données a quises lorsque le LHC a élerera des fais eaux deplomb quiserontétudiées de façon privilégiée.

L'expérien e LHC-B sera dédiée à laphysique du

B

, etvisera plus pré- isément àxerdes ontraintesaussisévèresquepossiblesurlesparamètres responsablesdelaviolationdelasymétrieCP.Enoutre,ellepermettrapeut- êtredemettreenéviden e ertaineslimitesàlavaliditédumodèlestandard. Lesdeuxexpérien esATLASetCMSaurontpourobje tifdedé ouvrirle bosonde Higgs,maisseront aussienmesurede re ueillir unnombreinégalé d'informations sur la physique des ollisions à es énergies élevées que le LHCseralepremiera élérateurterrestreàatteindre.Ces déte teursseront également à même d'observerdesévénements relevant de nouvelles théories

isemanifestent auxénergies a essibles parle LHC.

CMS

Dans ette se tion nous présenterons rapidement le prin ipe du déte - teurCMS. Les ara téristiques te hniques détaillées seront données dansle hapitre suivant.

Lagure2.14estunereprésentationtridimensionnelledudéte teurCMS. Celui- i aura une forme globalement ylindrique. Sa longueur sera égale à 21,6 m, son diamètre à 15 m, et son poids total sera de 12500 tonnes. A l'instarde ses semblables, il sera omposéde diérents typesde déte teurs, disposés en ou hes su essives, ha un d'entre eux étant onçu pour une lassede parti ule spé ique.

Fig.2.14 Le déte teur CMS.

 Son traje tographe sera formé de mi ropistes de sili ium et d'un dé- te teuràpixels.

 Son alorimètre éle tromagmétique sera un alorimètre homogène, forméde ristauxde tungstatede plomb (

PbWO4

).

 Son alorimètre hadronique sera formé d'une alternan e de dé len- heurs de gerbesen uivreetde s intillateurs plastiques.

 Son solénoïde de 13 m de long et de 5,9 m de diamètre sera supra- ondu teur et permettra de délivrer un hamp magnétique relative- ment homogène de4 Tdanslapartie entrale dudéte teur(traje to- graphe),etun retour de hampde 2 T danslapartie externe servant à ompléter lamesure desmuons.

 Lesdéte teurs demuonsseront onstituésdetubesàdérive ontenant unmélangegazeuxde

ArCO2

dansletonneauetde hambres àpistes

athodiquesetde plaquesparallèlesrésistives danslesbou hons.

ATLAS

ATLAS(AToroidalLHCAparatuS)seral'autregranddéte teurduLHC onsa réàlare her heduHiggs.Ilserabeau oupplusgrandqueCMS,mais moinslourd:ATLAS mesurera44 mde longet 22 mde haut pour 7000 t.

Fig.2.15 Le déte teurATLAS

 Son traje tographe sera omposé de déte teurs à pixels en sili ium (appelés également déte teurs de vertex) et de mi ropistes de semi- ondu teurs, ensili ium également.Mais etraje tographeprésentera laparti ularitédeposséderaussiundéte teuràrayonnementdetransi- tion, omposéd'unemultitudedepailles omprenant uneanodehaute tensionetunmélangegazeux xenon(70%),méthane(20%) etdioxyde de arbone (10%).

 Son alorimètre éle tromagnétique utilisera la te hnologie de l'argon liquide.

 Son alorimètre hadronique sera onstitué dans le tonneau d'une al- ternan e deplaquesdefer omme absorbeursetdetuiless intillantes; danslesbou hons,late hnologiedel'argonliquideseraen oreunefois utilisée.

impulsionsmuoniques.

 Le spe tromètre à muons, omposé de hambres à dérives (argon et dioxydede arbone)seraindépendantdelapartieinternedudéte teur grâ eau hamp toroïdal réé par sonsystèmemagnétique.

Comparaison CMS ATLAS

Fig. 2.16 CMSetATLAS

La première diéren e entre CMS et ATLAS réside dansle système de réation du hamp magnétique. Alors que CMS produira, au moyen d'un seul solénoïdesupra- ondu teur, un hampmagnétiquede 4 Tetunretour de hampde2Tné essairesrespe tivement autraje tographeetausystème de déte tiondes muons, ATLAS utiliseraun aimant toroïdalproduisant un hampde1Tpourlesystèmededéte tiondesmuons,etunsolénoïdede2T pour ourberla traje toire desparti ules hargées dansletraje tographe.

Parailleurs,letraje tographedeCMSestentièrementbasésurdesdéte - teursausili ium,sapré isionétantobtenuegrâ eaufort hampmagnétique qui permet de ourber les traje toires des parti ules hargées, même lors- qu'ellesont émisesave une grandeimpulsiontransverse. Letraje tographe d'ATLASpossèderaquant àluiundéte teursupplémentaire,àradiation de transition,situé autourdu  ÷ur ensili ium, equi amélioreral'identi- ation deséle trons,ainsique lapré ision demesuredes traje toires.

Les te hnologies alorimétriquesne sont paslesmêmes non plus. Le a- lorimètre éle tromagnétique d'ATLAS utilisera l'argon liquide, et son alo- rimètre hadronique de l'argon liquide dans les bou hons et des tuiles s in- tillantes dansletonneau.Larésolution du alorimètre éle tromagnétique de CMSserameilleureque ellede sonhomologued'ATLAS,maislate hnolo- gie utilisant l'argon liquide est mieux maîtrisée que elle qui met en ÷uvre les ristaux de tungstate de plomb, et la dégradation de es ristaux s in- tillantsparlesradiationsintensesprésentesdansledéte teur ompliquerala déterminationde l'énergieàlongterme(augmentation progressiveduterme onstant dans l'expression de la résolution, né essité d'un système de sur-

Enn, CMS ayant a ordé une grande importan e à la déte tion des muons ( omme son nom l'indique), le spe tromètre à muons de CMS per- mettra d'obtenir une meilleure identi ation et une meilleure mesure des paramètresdesmuonstraversant ledéte teuren ombinantlesinformations fourniespar les hambresàdérive etpar letraje tographe.DansATLAS,la distan edepar oursdesmuonsseraplusgrande,etle hampmagnétiquenon uniforme réé parl'aimant toroïdalné éssiteral'utilisationd'unprogramme dere onstru tion omplexe,maisladéte tiondesmuonsetlamesuredeleur impulsionseront indépendantes de lapartie interne dudéte teur.

Lespoint fortsde CMSseront don :

1. Une très bonne identi ation des muonset une très bonne mesurede leurs impulsions

2. Une très grande pré ision dans la mesure de l'énergie des photons et deséle trons grâ eàson alorimètreéle tromagnétique dehauteréso- lution.

3. Unegrandepré isiondanslamesuredesimpulsionsdesparti ules har- gées, grâ eau déte teurde tra es entral.

Ceuxd'ATLAS seront:

1. Untrèsbontraje tographepourre onstruirelestraje toiresetmesurer l'impulsion desparti ules hargées.

2. Une mesuredesimpulsionsdesmuonsindépendantedutraje tographe entral.

3. Une bonne séparation des tra es et des parti ules grâ e à la grande taille du déte teur.

Con lusion

Les diérentes expérien es de physique des hautes énergies qui ont été réaliséesjusqu'àaujourd'huiontpermisdevérier ave unegrandepré ision lavaliditédumodèlestandard.Ellesn'onttoutefoispaspermis,àl'heurea - tuelle, dedé ouvrir le bosonde Higgs. Le tévatron, ave une rapidemontée enluminositéintégrée sembleêtreunbon andidat pour observerou dé ou- vrir le Higgs, en parti ulier si sa masse n'est pas trop élevée. Le LHC, qui devraitatteindrerapidement desluminositésintégréesinégalées,sera,quant à lui, apable d'observer quasiment à oup sûr e boson s'il est a essible auxénergiesatteintes par les ollisions de protonsà 14 TeV.Dans e as, il devrait également pouvoir les produire en nombre susant pour permettre l'étudede sesprin ipales ara téristiques.

LHC et CMS : présentation

te hnique

Ce hapitre présente lesdeuxéquipementsmajeursautourdesquelss'ar- ti uleront les expérien es de re her he du Higgs on ernées par ette thèse. Ils'agitdufuturLargeHadronCollider,leLHC,et duCompa tMuon Solenoïd , ouCMSqui sera,ave ATLAS,l'undes deuxgrandsdéte teurs sus eptibles dedé ouvrir ette nouvelle parti ule.

3.1 Cara téristiques du LHC

Comme nous l'avons déjà signalé, le LHC (représenté sur la gure 3.1) seralepremier ollisionneurproton-protonpermettantd'obteniruneénergie totale de

14 TeV

dans le système du entre de masse. Cette énergie, plus élevée que elles obtenues par les autres ollisionneurs (LEP, Tevatron...), permettra demettreenjeudesénergiesdel'ordreduTeV dansles ollisions de partons. Mais ette nouvelle ma hine aura un autre avantage onsidé- rable :lahautefréquen edes ollisions (40MHz, 'est àdire un roisement defais eaux toutes les25 ns)permettra d'obtenirune grandeluminosité,et don depouvoirobserverrapidementdenouveauxphénomènes,s'ilsexistent. Lorsque leLHC auraatteint sapleine puissan e, les paquets deprotons a élérés (bun hes), qui seront espa ésde 7,5m, ontiendront environ

10

11

protons ha un. Leur longueur sera égale à 7,5 m, mais leur dispersion transverse sera très faible (

σ ∼ 15 µm

). C'est don selon l'axe du fais eau que les u tuations sur la position du point d'intera tion prin ipal (vertex primaire)seront lesplus grandes.

Laluminositéasso iéeàdetelles ara téristiquesdefais eauxestdonnée par laformule :

L = f_4πσn1n2

xσy

(3.1)

Fig.3.1 A gau he,image de synthèse représentant le LHCdansletunnel telqu'il était prévu en 2000, età droite photographie d'unepartie duLHC déjàinstallédans letunnel

deprotons dans haque paquet,et

σx

et

σy

lesdispersionstransverses(sup- posées gaussiennes).Ainsi,au LHC,laluminositénominale prévueestégale à

L = 10

34

_cm−2_s−1

. Une année de prises de données ( 'est-à-dire

10

7_s

en tenant ompte destemps d'arrêt pour maintenan e ou réparation) permet- tra don d'obtenir une luminosité intégrée d'environ

100 fb

−1

(le Tevatron a a umulé une luminosité intégrée de

1, 4 fb

−1

en 17 ans, et devrait par- venir au hire de

6 f b

−1

en 2008). Mais, au LHC, ette valeur nominale de

10

34

_cm−2_s−1

ne sera atteinte qu'après une période préliminaire d'en- viron trois ans pendant laquelle elle sera plus faible d'environ un ordre de grandeur. Cette période sera mise à prot pour optimiser la ma hine et pour opérer tous les réglages né essaires à la mise en route et à la alibra- tiondesquatregrandsdéte teursutilisés(ATLAS,ALICE,CMSetLHCb), maiségalementpour ommen erlesre her hesdenouvellesparti ules,etles études de laphysique du B (un an de e fon tionnement ave une lumino- sitéde

2.10

33_cm−2_s−1

orrespondra déjààuneluminositéintégrée d'environ

20 fb−1

).Un résumédesprin ipales ara téristiquesduLHCestdonnédans letableau 3.1

Le nombre moyen d'intera tions proton-proton à haque roisement de fais eaux serade l'ordre de 20 lorsque la luminosité nominale seraatteinte. Il yauradon environ

10

9

intera tions par se onde. Plusieurs désdevront alors êtrerelevés :

 séle tionnerd'embléelesévénementsintéressants,parexemple eux qui possèderont les ara téristiques requises pour en faire de  bons andidats Higgs, aril sera impossible de sto kerl'information pro- venant de toutes les ollisions,

 identier le roisement de fais eaux auquel un événement donné aura eu lieu,

Cir onféren e 26,66km Energiede haquefais eau

7 TeV

Energieàl'inje tion

450 GeV

Champmagnétique desdipoles (

7 TeV

) 8,33 T Distan eentreles fais eaux 194mm Luminositéinstantanéenominale

10

34

_cm−2_s−1

Fréquen e derévolution 11,246kHz

Espa ement despaquets 7,48 m

Tempsséparant deuxpaquets 24,95ns Nombre de protonsparpaquets

1, 1.10

11

Nombre de paquetsen ir ulation 2845

Emittan e transversenormalisée 3,75

µm.rad

Anglede roisement aupointd'intera tion 300

µrad

Tempsde viede laluminosité 10 h Perted'énergiepartour 7KeV Puissan e totalerayonnée par fais eau 3,8kW Energiesto kéepar fais eau 350MJ Tempsde remplissagepar anneau 4,3min

Fig.3.2 Prin ipales ara téristiquesdu LHC.

enjeu,

 re onnaître, parmi es événements, eux qui orrespondront au phé- nomène re her hé (par exemple une réelle dé roissan e du boson de Higgs)etlesdistinguer des diérentsbruits defond .

Comme nous le verrons dans e qui suit, le déte teur CMS est onçu pour répondrede façon satisfaisante à l'ensemblede esexigen es.

Dans le document Optimistation par réseaux de neurones du potentiel de découverte du boson de Higgs dans le canal H ->ZZ* ->4e± sur le détecteur CMS, et étude des primitives de déclenchement du calorimètre électromagnétique (Page 52-62)