CERN Accelerators
2.2 Ses performances
a 5,3 cm et le vide est pouss´e `a 2 10−10 Torr. Dans ces parties, le tube est r´ealis´e en b´eryllium d’une ´epaisseur de 1,1 mm afin de minimiser l’interaction des particules produites avant le d´etecteur.
2.2 Ses performances
Le LEP a d´emarr´e en 1989 pour une premi`ere phase, dite LEP I, qui s’est pro-long´ee jusqu’en 1995. Durant cette p´eriode le LEP a principalement fonctionn´e avec une ´energie par faisceau de 45,6 GeV afin d’´etudier le boson Z et ses d´esint´egrations.
Ainsi, l’´energie dans le centre de masse √
s ´etait voisine de mZ. La courbe d’exci-tation du Z a ´et´e ´etudi´ee, principalement afin de mesurer la largeur du Z, et des donn´ees ont ´et´e collect´ees dans l’intervalle√
s ∼ mZ± 4 GeV/c2. Environ 4 M de Z ont ´et´e collect´es par ALEPH pendant cette p´eriode, r´epartis suivant le tableau 2.1.
Ann´ee 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995
Z0 → q¯q (×103) 32 150 280 700 680 1 600 730 Luminosit´e (pb−1) 1,2 7,5 13,1 25,7 36,0 59,3 35,9
Tab. 2.1: Nombre d’´ev´enements Z hadroniques collect´es par ALEPH et utilis´es dans nos analyses de 1989 `a 1995 avec la luminosit´e enregistr´ee.
Seuls en 1992 et 1994, le LEP est rest´e toute l’ann´ee `a la mˆeme ´energie du pic du Z. Le reste du temps son ´energie n’a cess´e de varier. Jusqu’en 1995 pour ´etudier la r´esonance du Z, puis une longue et continue mont´ee en ´energie a d´emarr´e. Fin 1995 le LEP a commenc´e `a tester ses possibilit´es de fonctionner `a plus haute ´energie et a d´elivr´e une ´energie dans le centre de masse de 130 GeV, puis 136 GeV. Cette p´eriode d’´echauffement, avant le passage du seuil de production des paires de W , fut particuli`erement mouvement´ee dans ALEPH avec l’espoir (d´e¸cu !) de d´ecouverte de nouvelle physique [51] ... LEP vint d’ailleurs refermer compl`etement cette petite fenˆetre en retournant `a cette ´energie en 1997. La deuxi`eme phase LEP II, d´ebuta v´eritablement en 1996 et un nouveau programme de physique commen¸ca. D´esormais le Z n’est plus utilis´e que pour calibrer les d´etecteurs `a l’aide d’un passage `a son ´energie principalement en d´ebut de prises de donn´ees annuelles. C’est au tour des bosons W+ et W− d’ˆetre ´etudi´es et de rechercher de nouvelles particules de plus en plus lourdes. Le LEP a d´elivr´e les ´energies de 161 GeV puis 170-172 GeV en 1996, 181-184 GeV en 1997, 189 GeV en 1998, 192, puis 196, puis 200 et enfin 202 GeV en 1999. La situation en 2000 est plus compliqu´ee o`u il est tent´e de privil´egier l’obtention de l’´energie la plus importante possible, avec un peu de luminosit´e tout de mˆeme, en fonctionnant au maximum des possibilit´es de la machine. Ceci ne peut ˆetre r´ealis´e que pendant de courtes p´eriodes et l’´energie varie de 200 `a 209 GeV (voir figure 2.3) !
Outre l’´energie, le param`etre le plus important pour une machine e+e− est sa luminosit´e qui est le coefficient multipliant la section efficace `a mesurer pour obtenir le taux de comptage observ´e pour cette r´eaction. Elle d´epend du nombre de parti-cules contenues dans chaque faisceau (Ne− ´electrons et Ne+ positrons, ∼ 1012), du nombre de paquets (n), des dimensions transverses de ces paquets horizontalement (σx) et verticalement (σy), et de la fr´equence de r´evolution des particules (f ∼ 11
kHz). Elle s’´ecrit :
L = Ne−Ne+f
4πnσxσy
Pour l’augmenter, il faut avoir une taille r´eduite de faisceau, un nombre maxi-mum de particules r´eparties en un nombre minimal de paquets. L’optimisation de ces param`etres est un exercice compliqu´e car il existe des limites pour l’obtention
de faisceaux stables aussi bien en ce qui concerne le nombre total de particules dans les faisceaux que le nombre de particules que l’on peut injecter dans un paquet. Plu-sieurs configurations ont ´et´e utilis´ees. Jusqu’en 1992 les particules ´etaient regroup´ees en quatre trains d’un paquet chacun. Cela correspondait `a un croisement toutes les 22,5 µ s. A partir de fin 1992 et jusqu’en 1994, un mode `a 8 paquets (dit mode Pretzel) a ´et´e adopt´e. La plus forte luminosit´e a pu ˆetre atteinte (2,4 1031cm−2s−1), un croisement avait alors lieu toutes les 11,25 µs. Cette configuration s’est av´er´ee incompatible avec les hautes ´energies de LEP II. Depuis 1995 une nouvelle confi-guration a ´et´e mise en place. Quatre paquets sont utilis´es et chaque paquet est un train constitu´e de plusieurs wagons 2, 3 ou 4. Par exemple en 1995 les particules ´etaient regroup´ees en 4 trains de 3 paquets. Les trains se croisaient toutes les 22,5
µs et les wagons ´etaient espac´es de 0,247 µs (ce qui correspond `a une distance de 74 m). Une luminosit´e pic voisine de 10 1031cm−2s−1 a pu ˆetre atteinte.
Fig. 2.3: Luminosit´e int´egr´ee en fonction de l’´energie par faisceau.
La luminosit´e d´elivr´ee par LEP est repr´esent´ee sur les figures 2.3, 2.4. Environ 1000 pb−1 ont ´et´e d´elivr´es depuis 1989 `a chaque exp´erience, dont 700 pb−1 au dessus du seuil WW. Int´egr´ee sur une journ´ee, elle a pu atteindre jusqu’`a 3,6 nb−1 en 1999. La dur´ee de vie des faisceaux est ´egalement un param`etre en prendre en compte
pour optimiser la luminosit´e. Typiquement, elle ´etait de l’ordre de 15-16 heures `a LEP I et les remplissages duraient en moyenne 12 heures. La luminosit´e se d´egradant les faisceaux ´etaient alors remplac´es. Ce temps est inf´erieur `a LEP II.
Fig. 2.4: Luminosit´e int´egr´ee en fonction du nombre de jours de prises de donn´ees annuel pour les 12 ans de fonctionnement du LEP.
Pour certaines analyses, comme les mesures de masse du boson Z et W , ou de la largeur du Z, il est primordial de connaˆıtre l’´energie des faisceaux avec une tr`es bonne pr´ecision afin de ne pas limiter ces mesures.
Durant LEP I, l’´energie des faisceaux ´etait mesur´ee par d´epolarisation r´esonnante. Dans un anneau de collisions, les particules peuvent acqu´erir une polarisation trans-verse car le spin des ´electrons a tendance `a s’aligner avec la direction du champ magn´etique des aimants du LEP et `a tourner autour de l’axe vertical dans un mou-vement de pr´ecession. La mesure du nombre de pr´ecessions par tour, qui est propor-tionnel `a l’´energie du faisceau, permet d’acc´eder `a cette quantit´e. Elle est effectu´ee `a l’aide d’un champ excitateur radial appliqu´e au faisceau une fois par r´evolution. Une d´epolarisation r´esonnante du faisceau est observ´ee lorsque la fr´equence de ce champ est en phase avec la fr´equence de pr´ecession. Le taux de polarisation du faisceau est
mesur´e `a l’aide d’un faisceau laser (polaris´e), dont la lumi`ere est diffus´ee par effet Compton avec un angle li´e `a la polarisation transverse des ´electrons. Cette m´ethode est tr`es pr´ecise et une pr´ecision de l’ordre du MeV peut ˆetre atteinte. Cette tech-nique ne peut malheureusement pas ˆetre appliqu´ee `a LEP II, la polarisation ´etant trop faible `a partir d’une ´energie d’environ 55 GeV. La nouvelle m´ethode utilis´ee est bas´ee sur la mesure du champ magn´etique dipolaire. Elle comporte deux ´etapes. A basse ´energie (au pic du Z), une mesure du champ magn´etique dans les dipˆoles est effectu´ee par 16 sondes `a r´esonance magn´etique nucl´eaire (sondes NMR) toutes les 30 s. Une mesure de l’´energie, effectu´ee avec la m´ethode pr´ec´edente, fournit une calibration. Par extrapolation lin´eaire, la mesure du champ magn´etique dans les dipˆoles `a haute ´energie, permet alors de d´eterminer l’´energie du faisceau. Cette me-sure du champ est tr`es pr´ecise mais locale, seule une fraction du champ des dipˆoles de l’acc´el´erateur est obtenue. Une autre estimation du flux du champ magn´etique total est obtenue par des boucles de cˆables et permet de comparer et de confirmer les mesures par sondes NMR. La pr´ecision atteinte sur la mesure de l’´energie des faisceaux est de l’ordre de 25 MeV. De nombreux effets influent sur l’energie des faisceaux et ont ´et´e ´etudi´es : la temp´erature (1◦ C correspond `a une variation de 4,8 ± 1,4 MeV), le niveau du lac L´eman (jusqu’`a 20 MeV), les effets de mar´ees
terrestres qui distordent l’anneau du LEP (moins de 15 MeV), les courants induits dans le LEP par les cat´enaires des trains TGV ...