Système de coordonnées et définition des variables

L’origine du repère est définie par le point de collisions des deux faisceaux. L’axe des x pointe vers le centre du LHC, et l’axe z correspond à celui des faisceaux. Le dernier, l’axe y , défini par orthogonalité avec les deux précédents pour obtenir une base directe, a une direction verticale et est orienté vers le haut. Deux angles, „ et ffi, permettent de définir la direction des particules dans un système de coordonnées sphériques. L’angle „ est défini dans le plan (x ; y ) avec ffi = 0 et ffi s’inscrit dans le plan et (x ; z)3. Pour un boost le long de l’axe z, l’angle azimutal ffi est un invariant de Lorentz et est donc conservé dans le système de coordonnées utilisé par ATLAS. „, angle entre faisceau et la trajectoire, ne respecte cependant pas cette symétrie et est remplacé par la rapidité y ou la pseudo-rapidité ” dans le cas de particules ultra-relativistes (E  mc2, limite dans laquelle ” → y ). La rapidité y est définie en termes d’énergies par : y = ¹ 2^ln E + pz E − p_z ! :

Figure 2.2 – Schéma du détecteur ATLAS [65].

E est l’énergie de la particule. La pseudo-rapidité ” peut aussi être définie en termes d’angles dans le détecteur :

” = − ln tan^„

2 !

:

Pour „ = 0 (sur le faisceau), ” = ∞ et pour „ = ı

2 (à la verticale du point d’interaction), ” = 0. Les angles ” et ffi permettent de définir la distance ∆R séparant deux particules par ∆R =p(∆ffi)2+ (∆”)2.

La géométrie cylindrique du détecteur le long de l’axe z le rend sensible à l’impulsion transverse pT mesurée dans le plan (x ; y ). Il est possible d’obtenir l’information sur les composantes cartésiennes de l’impulsion des particules par les relations : 8 > > < > > : pT =^qp2 x + p2 y ” = − ln tan^„ 2 ! ⇐⇒ 8 > > > < > > > : px = pTcos (ffi) py = pTsin (ffi) pz = pTsinh (”) p = pTcosh (”) :

Les protons des faisceaux ne portent aucune impulsion transverse dans ce système de coordonnées. La somme vectorielle des impulsions transverses de tous les objets devrait alors être nulle. Ce n’est cependant pas le cas pour la somme de tous les objets détectés. Une partie cette impulsion transverse peut en effet être emportée par des neutrinos traversant le détecteur sans interaction. Cette différence vectorielle est notéepmiss^~

T et son amplitude définit l’énergie transverse manquante Emiss

T =^q(pmiss

x )2+ (pmiss

y )2. Le détecteur ATLAS a une acceptance jusqu’à |”| < 4:9, ce qui correspond à un angle polaire „ = 0:85°(0.015 rad). Cela assure une excellente hermicité du détecteur, cruciale pour la mesure de

2.2. Le détecteur ATLAS

2.2.2 Le trajectographe

Au plus près des collisions, se trouve le trajectographe, aussi appelé détecteur interne (Inner Detector (ID)) [65,66], livrant une reconstruction précise des trajectoires des particules chargées. Il est entouré par un aimant solénoïdal fournissant un champ magnétique de 2T et courbant les trajectoires. Il se compose de trois sous-systèmes : le détecteur à pixels, le trajectographe à semi-conducteurs (Silicon Micro strip (SCT)) et le trajectographe à rayonnement de transition (Transition Radiation Tracker (TRT)). Des coupes transverses en sont données figure2.3.

Figure 2.3 – Vue du détecteur interne dans le plan (r; z ) détaillant les dimensions et enveloppes de chaque élément majeur [67].

Détecteur à pixels

Ce détecteur se compose de quatre couches de pixels semi-conducteurs et trois disques dans chaque bouchon. La première couche, Insertable B-Layer (IBL) est la plus proche du point d’interaction. Elle fut installé durant la coupure entre les Run 1 et Run 2 du LHC et permet d’améliorer l’identification des hadrons beaux [67]. Cette opération a nécessité le retrait du détecteur à pixels et l’installation d’un nouveau tube pour les faisceaux sur lequel l’IBL est monté, réduisant la distance de première couche de détection de 5 à 3.3 cm. Il s’agit d’un détecteur à pixels semi-conducteurs de haute résolution, d’une couverture de |”| < 2:9 et permettant la reconstruction des vertex déplacés caractéristiques du temps de vol des quarks b. Il offre aussi une meilleure détermination des paramètres de trace. Cette proximité au point d’interaction nécessite cependant une grande robustesse aux radiations.

L’IBL est entourée de trois autres couches de pixels semi-conducteurs dans la région tonneau et trois disques dans les bouchons, avec des cellules de 50 × 400 —m2. D’une couverture s’étendant jusqu’à |”| < 2:5, elles comptent 80 millions de pixels sur une surface de 1.7 m2 à une distance au point d’interaction de 5 à 12 cm. La haute granularité

de ce détecteur et de la couche IBL permet une reconstruction précise des vertex primaires et secondaires. Chaque couche a une résolution de 10 —m dans la direction azimutale et 115 —m dans les disques.

Trajectographe à semi-conducteurs

Le trajectographe à semi-conducteurs (SCT, Semi-Conducteur Tracker ) [68] se compose de quatre couches dans le tonneau (distantes du faisceau de 299, 371, 443 et 514 mm) et deux dans les bouchons (de 9 disques chacun). Situé de 29.9 à 51.4 cm du point d’interaction, il se compose de 4088 microbandes de silicium et offre une couverture de |”| < 2:5. Chaque microbande est une jonction p/n large de 80 —m et longue de 12 cm dans la partie tonneau, et d’une section trapézoïdale de largeur variant entre 56.9 à 94.2 —m dans les bouchons. Chaque couche compte jusqu’à quatre capteurs séparés d’un angle de 40 mrad pour obtenir une mesure en trois dimensions (information sur la coordonnée z dans le tonneau, sur la distance radiale dans les bouchons) par stéréoscopie. Chaque couche a une résolution de 17 —m dans la direction transverse et 580 —m dans la direction longitudinale.

Trajectographe à rayonnement de transition

La partie externe du détecteur interne est le trajectographe à rayonnement de transition (Transition Radiation Tracker (TRT)) [69], constitué de 350848 micro-tubes remplis de xénon, dioxyde de carbone et dioxygène (70, 27 et 3%) et offrant une couverture jusqu’à |”| < 2:0 pour un éloignement au faisceau jusqu’à 108 cm. Chaque tube a un diamètre de 4 mm, une longueur de 144 cm (37 cm dans les bouchons) et est muni d’une anode (fil de tungstène) enrobée d’or de 31 —m de diamètre, l’espace entre ces tubes étant comblé par du polypropylène. Ils sont disposés parallèlement aux faisceaux dans la partie tonneau et verticalement dans les bouchons en 73 et 160 couches, respectivement. Les particules chargées traversant le matériau diélectrique émettent un rayonnement de transition absorbé par le gaz dont l’ionisation fournit des informations sur le passage de la particule. La quantité de rayonnement de transition dépendant du facteur relativiste ‚ de la particule incidente, le nombre de points d’ionisation importante, plus élevé pour les électrons que les muons grâce à leur masse plus faible, permet son identification. Le signal laissé par particules légères étant plus important que pour les particules lourdes, un seuil de détection de l’électronique front-end permet la discrimination des traces laissées par des électrons ou des hadrons. La faible résolution spatiale de 130 —m se voit compensée par le grand nombre de points laissés par une trace (en moyenne 36). La longueur des traces permet en effet une bonne résolution de l’impulsion transverse grâce à un effet de levier important.

Une représentation de l’organisation du détecteur interne est donnée figure 2.4. Il permet un tracking (pistage) précis des particules, ainsi qu’une reconstruction précise des vertex primaires et secondaires. Ce dernier point est crucial pour l’identification des hadrons beaux. La résolution typique en impulsion transverse est de ffpT=p_T = (0:05% × pT[GeV ] ⊕ 1%) [65].

Distribution du matériel dans le détecteur interne

La quantité de matière dans le détecteur interne impacte directement les performances de reconstruction des particules chargées. Les électrons, particules légères, ont une forte probabilité d’interaction avec le matériel et perdent de l’énergie sous forme de rayonnement de freinage. Les photons, quoique neutres, peuvent aussi interagir avec cette matière additionnelle et se convertir en paires électron-positron. Cet effet est particulièrement visible dans les procédures de reconstruction et identification des électrons comme étudié au chapitre4. La connaissance de la distribution de matériel en amont du calorimètre est par conséquent cruciale. Une représentation en est donnée figure2.5. Cette distribution peut être établie notamment par l’étude des vertex d’interaction au sein même du détecteur.

Les distributions de matériel ont légèrement augmenté entre le Run 1 et le Run 2 avec l’inclusion de l’IBL. Sa contribution est cependant négligeable jusqu’a |”| = 3 (c.f. figure2.5a). La contribution du solenoïde n’apparaît pas figure2.5a(mais apparaît figure2.5b) et est estimée à ∼ 0:66 X0. La matière traversée par une particule en amont du pré-échantillonneur (figure2.5b) compte celle des éléments branchés au détecteur interne, le pré-échantillonneur lui-même et le cryostat.