1 Plan Ce qu’il faut savoir des accélérateurspour faire un détecteur Collisionneur versus cible fixe (1/2) Collisionneur versus cible fixe (2/2)

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P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - II 1/25

Plan

I.

Quelques points de physique des hautes énergies

II. Quelques notions sur les accélérateurs

III.

Energie perdue dans la matière

IV.

Partie active des détecteurs

V.

Identification des particules et reconstitution de traces

VI.

Calorimétrie

VII.

Electronique et système d’acquisition

VIII.

Détecteurs de physique des hautes énergie

Ce qu’il faut savoir des accélérateurs pour faire un détecteur

 Remarque : On peut faire de la physique des hautes énergies sans accélérateur

 Quelques points importants :

 Le référentiel du centre de masse est-il fixe ou immobile dans le laboratoire ?

 La luminosité

 Le rayonnement synchrotron

 La fréquence de répétition peut être beaucoup plus élevée sur un accélérateur circulaire que sur un accélérateur linéaire (typiquement 50 KHz contre 100 Hz)

Collisionneur versus cible fixe (1/2)

Energie disponible dans le centre de masse pour des particules identiques : 1^ère expérience sur cible fixe : diffusion de particules α sur une feuille d’or par Rutherford en 1907

La relativité nous apprend que la quantité gouvernant la collision est l’énergie, évaluée dans le centre de masse (ΔE* = Δm c²)

!

E^*= 2m₀c²(E+m₀c²)

!

Pour des p de 1 TeV E^*=43,3 GeV

Collisionneur versus cible fixe (2/2)

Pour remplacer le collisionneur LHC (pp de 7 TeV contre 7 TeV) par une expérience sur cible fixe d’énergie équivalente dans le centre de masse, il faudrait E = 105000 TeV Energie disponible dans le centre de masse pour des particules identiques :

Dans tous les cas, il s’agit d’exploiter ΔE = Δm c²

!

E^*=2E

!

Pour des p de 1 TeV E^*=2 TeV

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Sections efficaces et luminosité

 La probabilité d’interaction entre particules est donnée par σ ou dσ/dΩ

 Le taux de comptage observé est :

 L’unité pratique de section efficace est le barn : 1 barn ≡ 10^-24 cm² σ : Section efficace (concentre toute la physique) L : Luminosité (dépend du faisceau) exprimée en cm^-2s^-1 ε : Efficacité (dépend du système d’acquisition) A : Acceptance (dépend du détecteur)

!

N ="˙ L#A

Le rayonnement synchrotron (1/3)

 C’est l’émission (par des particules relativistes) d’un rayonnement électromagnétique dans un plan orthogonal à la direction de l’accélération

 L’émission est piquée dans un cône centré sur la direction de propagation et d’ouverture θ = 1/γ

 Ce rayonnement tient son nom du fait qu’il a été mis en évidence la 1^ère fois en 1947 sur un « synchrotron à électrons » de GE construit par Langmuir

!

"=1

#

Le rayonnement synchrotron (2/3)

 Pour une machine circulaire, on peut montrer que la puissance rayonnée par une particule ultra-relativiste de charge e est :

 Pour des e^± et des protons de même quantité de mouvement placés sur la même orbite, on a :

 Le rayonnement synchrotron intervient dans les machines circulaires à e^±, mais pas pour les machines à protons

Rayon de courbure de la trajectoire

0,0073 7000 LHC

15,6 108 LEP2

1,1 50 LEP1

PRS(MW) E (GeV)

e ^± protons

!

P_RS=2 3

e²c 4" #₀

$⁴ R²

! P_RS^p P_RS^e = m_e

m_p

"

#

$ $

%

&

' ' 4

= 1

1836

"

# $ %

&

' 4

(10⁾¹³

La puissance déposée par rayonnement synchrotron peut faire des dégâts

Exemple du blindage en plomb du polarimètre du LEP

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P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - II 9/25 P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - II 10/25

Le rayonnement synchrotron (3/3)

 Le rayonnement synchrotron est une limitation dès qu’on est intéressé par l’énergie des particules accélérées (accélérateurs dédiés à la physique des particules)

 ⇒ les accélérateurs à e ^± de la physique des particules seront grands

 C’est par contre un effet recherché dans certains cas (accélérateurs dédiés à l’utilisation du rayonnement synchrotron)

 ⇒ les accélérateurs dédiés au RS seront des machines à e ^± compactes

 La limitation du rayonnement synchrotron disparaît pour un accélérateur linéaire …

Une caractéristique des collisionneurs

Puissance transportée par un faisceau :

!

P(MW)=E(GeV)"I(mA)

500 0,013

20 60 60 Courant

total (mA) Puissance (GW) Energie

(GeV)

7000 250 27,5 920 1000 HERA p 55

3500 LHC

0,003 RHIC

HERA e 0,55

60 Tevatron

Collisionneurs de leptons versus collisionneurs de hadrons (1/3)

 Dans tous les cas, on exploite ΔE* = Δm c²

 Leptons (e^-, e⁺, µ^± ?)

 Particules élémentaires : énergie bien définie et état final propre (+ et -)

• LEP I et SLC ont été ajustés sur le Z

• TRISTAN n’a rien vu (servi a rien ?)

 Luminosité très bien mesurée (à l’aide des Bhabha e+e → e+e) (+)

 Particules légères : limitation du rayonnement synchrotron (-)

• ⇒ Machine adaptée aux études de précision

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Collisionneurs de leptons versus collisionneurs de hadrons (2/3)

 Hadrons (p, pbar)

 Particules composites : énergie disponible dans la collision moins bien définie mais gamme d’énergie accessible beaucoup plus grande que dans une machine à électrons (-)

• ⇒ Machine adaptée aux recherches de particules nouvelles

 Beaucoup plus de bruit de fond (--)

 Luminosité mal mesurée

 Particules lourdes : pas de rayonnement synchrotron (un peu au LHC) (+)

 Beaucoup de radiation induite autour de l’accélérateur (--)

 Très grandes sections efficaces (pour le signal et pour le bruit !)

• Par exemple σ(Z) / σ_tot = 1 au LEP et 10^-7 au LHC

• ⇒ difficultés de reconstruction des événements et de leur sélection

Collisionneurs de leptons versus collisionneurs de hadrons (3/3)

 Leptons : la largeur d’une résonance est obtenue par un scan en énergie dont la limitation vient de la mesure de l’énergie des faisceaux

 Hadrons : la largeur d’une résonance est obtenue par la résolution du détecteur

Exemple du Υ

Collisions hadroniques

Collisions leptoniques

Collisionneur type

 Les 1^ers collisionneurs datent des années 60

 Bien noter que le faisceau circule typiquement plusieurs heures

Exemple : les accélérateurs du CERN

Zitoun

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Les accélérateurs au CERN

De la production à la détection

Le Large Hadron Collider (LHC)

 Collisionneur proton proton (E = 7 TeV)

 Tunnel du LEP (2 π R = 27 km)

 Aimants supraconducteurs (8,4 T)

 90 tonnes d’hélium liquide superfluide à 1,6 K

 « le plus grand réfrigérateur du monde »

Les autres grands collisionneurs

actuels

_D0

CDF

H1 ZEUS

STAR Phénix

Remarque : certaines expériences ne seront probablement jamais refaites sur d’autres accélérateurs (LEP et LHC), d’autres sont mêmes uniques (GSI) !

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⇒ Les caractéristiques de chaque détecteur sont liées à la physique étudiée (e^±, hadrons, ions, ν, ..)

H → Z Z → 4µ dans ATLAS

23 événements de biais minimum par croisement ≈ 1900 particules chargées + 1600 particules neutres

Exemple du canal H → Z Z → 4 µ au LHC

Le signal + 30 événements de minimum bias

Idem en sélectionnant toutes les traces avec

pT > 2.0 GeV

Traces chargées uniquement

⇒ Les contraintes sur les détecteurs LHC sont énormes (granularité, vitesse d’acquisition, ..) !

Une interaction « typique » en physique des particules

 On ne détecte directement que les produits finaux

 Les produits de réaction intermédiaires sont généralement trop instables pour être observés

 On cherche le maximum d’information sur les produits finaux pour remonter à la réaction initiale

Exemple du collisionneur LHC

Une aide supplémentaire

 Comme l’impulsion du système initial est connue et que l’impulsion se conserve, le détecteur est généralement fait pour utiliser cette contrainte

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Le détecteur idéal

 Couverture de tout l’angle solide

 Mesure de la quantité de mouvement, de l’énergie, de la masse, de la charge, …

 Réponse rapide

 Malheureusement, il n’existe pas de méthode de détection permettant de tout mesurer à la fois. Il faut donc combiner plusieurs mesures

 Limitations : place disponible, technologie, coûts

Particules chargées, neutres

et photons