1 Production et détection des particules Production de particules Collisions et cible fixe Luminosité Collisionneurs e + e - et hadroniques Détection des

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Production et dProduction et déétection des particulestection des particules

Production de particules

Collisions et cible fixe

Luminosité

Collisionneurs e+e- et hadroniques

Détection des particules

Mesure de l’impulsion

Reconstruction des trajectoires

Identification du type de particules

Détection des photons et des électrons

Détection des hadrons neutres

Identification des muons

Détection des neutrinos

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La production de particulesLa production de particules

Où trouver les particules à étudier ?

L’énergie de liaison dans les noyaux est trop élevée (interaction forte) pour espérer casser les noyaux par des processus chimiques ou thermiques, par exemple.

Il faut amener de l’énergie pour casser les nucléons : accélération puis collision de particules (protons, électrons) qui s’annihilent, l’énergie disponible permet de produire de nombreuses particules.

Création de particules autres que celles de notre environement ordinaire (autre que e-, , p, n et ).

Aimant supraconducteur pour le futur LHC.

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La production de particules La production de particules (suite)(suite)

Physique des particules élémentaires aujourd’hui : explorer la région de masse de l’ordre du TeV. Nécessite la construction d’accélérateurs de particules fonctionnant dans cette gamme d’énergie.

Accroissement exponentiel de l’énergie disponible dans les collisionneurs au cours du temps, permettant de produire des particules de + en + lourdes et d’explorer la structure de la matière sur des distances de + en + petites.

Sites des grands accélérateurs actuels : essentiellement CERN (Genève), DESY (Hamburg), SLAC (San Francisco), FNAL (Chicago), Brookhaven (New-York), KEK (Tsukuba).

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La production de particules La production de particules (fin)(fin)

Les particules étudiées peuvent être produites :

- par des collisionneurs (deux faisceaux, énergies symétriques ou asymétriques),

- par des collisions sur cible fixe (un seul faisceau qui tape sur de la matière),

- par des objets cosmologiques (réactions nucléaires dans les étoiles, explosions de supernovae, reliquats de l’enfance de l’Univers (comme par exemple le fond diffus cosmologique de 2.7 K, qui est le reliquat des photons au moment du découplement matière-rayonnement). Ces particules, lorsqu’elles sont chargées, peuvent être accélérées par les champs électriques galactiques par exemple (mais dans ce cas leur trajectoire est aussi courbée par les champs magnétiques galactiques).

- par des réactions nucléaires (neutrinos produits par les centrales électriques).

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Les gerbes de rayons Les gerbes de rayons

cosmiquescosmiques

Les rayons cosmiques : lorsqu’un proton (par exemple pour le rayon cosmique primaire) arrive dans l’atmosphère, il est détruit par interaction forte avec un nucléon de l’air et il y a production d’une gerbe de particules (comme dans un calorimètre).

Intérêt de l’étude de ces particules :

- il n’y a pas besoin d’accélérateur,

- ces particules sont les messagers de phénomènes cosmiques (intérêt pour la cosmologie, l’astrophysique et la physique des particules).

Désavantage : contrairement à l’accélérateur, on ne sait rien a priori de l’état initial (origine, impulsion, énergie, type de la particule primaire, …).

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Les gerbes de rayons cosmiques Les gerbes de rayons cosmiques (suite)(suite)

Exemple du projet AUGER : étude de rayons cosmiques d’énergie allant jusqu’à 1020 eV ! Le mécanisme aboutissant à une telle accélération dans l’Univers n’est pas compris. A comparer aux meilleurs accélérateurs de particules construits actuellement par l’Homme, qui atteignent 1012 eV (Tevatron) et bientôt 1013 eV (LHC).

Rayon primaire de 1020 eV : on en attend 1/km2/100 ans surface de détection de 3000 km2 en Argentine (effet Čerenkov dans de l’eau et mesure de fluorescence).

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Les rLes rééacteurs nuclacteurs nuclééairesaires

Etude des neutrinos produits lors des réactions nucléaires.

Centrale de Chooz dans les Ardennes.

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Les diffLes difféérents types d’accrents types d’accélérateursélérateurs Les différents accélérateurs se caractérisent par :

- le type des particules accélérées (composites ou ponctuelles : pp, pp, e+e-, ep),

- l’énergie des particules accélérées (les deux faisceaux à la même énergie ou non),

- la luminosité instantanée,

- la luminosité intégrée sur une année,

- le mode de collision (cible fixe ou collision de deux faisceaux).

E1

E2

E1

masse invariante du système : √s = √4 E1 E2 = 2 Ebeam (si E1 = E

2)

√s ≈ √2 E1 m2

m2

intérêt des collisionneurs pour étudier des processus de très haute énergie. Mais la densité de la cible et la grande taille transverse du faisceau en mode cible fixe permettent des grandes luminosités pour étudier des processus rares.

-

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LuminositLuminositéé

Luminosité instantanée : dN/dt = (t)

nombre d’interactions par cm2 et par s

lumi instantanée en cm-2.s-

1

section efficace du processus

Section efficace : [] = surface. Probabilité d’interaction. Invariant de Lorentz. Généralement des b, des nb ou des pb, avec 1 barn = 10-24 cm2. (cf. surface correspondant aux tailles nucléaires : 1 fm2 = 10-30 m2).

Luminosité intégrée : L = ∫ (t) dt

[L] = cm-2

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LuminositLuminosité é (suite)(suite)

Production de bosons Z durant le fonctionnement de LEP-1 (1989-1995) :

(e+e- Z q q) = 30 nb pour √s = MZ

1 an de fonctionnement = 100 jours x 20 heures = 7.106 s

= 5.1030 à 2.5.1031 cm-2.s-1 134 pb-1 par exepérience

N = x ∫(t) dt = de l’ordre de 4.106 bosons Z hadroniques produits par expérience. (0.3 Z chaque seconde)

Cette grande statistique a permis la mesure très précise des propriétés du boson Z :

MZ = 91.1876 ± 0.0021 GeV/c2

Z = 2.4952 ± 0.0023 GeV/c2

-

Exemple : luminosité intégrée du Tevatron de l’ordre du fb-1, bien supérieure à celle du LEP de l’ordre du pb-1.

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LuminositLuminosité é (fin)(fin)

Production de bosons W durant le fonctionnement de LEP-2 (1996-2000) :

= 8.1031 cm-2.s-1 670 pb-1/exp. au-delà du seuil de production de paires W+W-.

Mais = 17 pb seulement 104 paires W+W- produites par expérience (tous canaux de désintégration confondus). La précision atteinte sur la mesure des propriétés du boson W est donc moins grande que pour le Z :

MW = 80.425 ± 0.038 GeV/c2

W = 2.124 ± 0.041 GeV

-

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Les collisionneurs eLes collisionneurs e++ee--

Production d’e+ : bombarder une cible (= matière) avec un faisceau de protons production de ±, K±, p, p, 0. Elimination des particules chargées par B et désintégration 0 , les passent dans une deuxième cible dans laquelle ils se convertissent : e+e-. La charge est sélectionnée par un B.

Problème du rayonnement pour les accélérateurs circulaires : rayonnement synchrotron = rayonnement de par les e- et les e+ sur une trajectoire circulaire. Perte d’énergie proportionnelle à s2/, avec = rayon de courbure et s = E2.

construction d’accélérateurs linéaires (cf. SLC au SLAC, PEP au SLAC, KEK à Tsukuba, le projet mondial d’un futur accélérateur linéaire). Mais le faisceau est perdu après la collision : il faut développer de nouvelles techniques très performantes d’accélération.

Intérêt important des accélérateurs e+e- : l’état initial et l’état final sont simples et complètement connus. Permet une compréhension approfondie d’effets subtils liés à l’instrumentation erreurs systématiques réduites et très bonne précision des mesures.

-

13

Les collisionneurs hadroniquesLes collisionneurs hadroniques

Collisions p p, p p, e+ p, e- p.

Objets composites : la collision effective (l’interaction) se fait entre deux partons (de valence ou de la mer) composant le proton ils ne portent qu’une fraction de l’impulsion du proton du faisceau l’état initial n’est connu que dans le plan transverse au faisceau, et l’état final est assez compliqué à cause des jets hadroniques produits par les reliquats du proton après la collision.

-

proton 1 anti-proton 2

P1 P2 = -P 1u

uu

u

d

d -

-

-

x1P1

x2P1

x3P1

y1P2

y2P2

y3P2

Quarks de valence : fractions d’impulsion x1P1, x2P1, x3P1

Quarks et gluons de la mer : fractions d’impulsion fiP1 (i=1, )

avec : x1 + x2 + x3 + ∑ fi = 1

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Les collisionneurs hadroniques Les collisionneurs hadroniques (suite)(suite)

Production des anti-protons en bombardant une cible. Direction et énergie très dispersées. Nécessité d’un refroidissement stochastique pour réduire l’espace des phases.

Pour éviter cette difficulté, on peut faire des collisions proton-proton, comme au futur LHC : mais alors on a la difficulté d’une section efficace plus faible (on doit taper sur des partons de la mer), et il faut augmenter l’énergie (pour augmenter la section efficace) et surtout la luminosité. Au futur LHC elle sera de l’ordre de 1033 cm-2.s-1, ce qui entraînera une irradiation importante (et destructrice) des détecteurs.

Les collisionneurs hadroniques permettent de balayer une plage d’énergie, plutôt que d’être limité à une énergie déterminée. De plus il n’y a pas le problème du rayonnement synchrotron comme avec les électrons, ce qui permet d’atteindre des énergies très élevées et a permis la découverte de nouvelles particules (les bosons de l’interaction faible W+, W- et Z, le quark top). Par contre la précision est limitée par l’incertitude sur l’état initial et les incertitudes de QCD non perturbative.

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Vue aVue aéérienne du Tevatronrienne du Tevatron

Accélérateur proton anti-proton, √s = 2 TeV, en surface, de circonférence 10 km. Une collision toutes les 396 ns.

Axes de recherche :

- étude du quark top

- aussi : étude de la violation de CP, recherche de physique au-delà du Modèle Standard, recherche du boson de Higgs (mais découverte déjà exclue par le LEP), mesures de (semi-) précision.

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Le futur accLe futur accélérateur élérateur LHC (CERN)LHC (CERN)

Collisionneur proton proton (N.B. : différent du Tevatron), √s =14 TeV, de 27 km de circonférence, enterré, au CERN. Une collision toutes les 25 ns (de l’ordre de 20 interactions par collision).

Mise en service prévue fin 2007.

Axes de recherche :

- recherche du Higgs et de la physique au-delà du Modèle Standard.

- étude de la violation de CP

- étude du plasma de quarks et de gluons (collisions Pb-Pb).

Le complexe d’accélérateurs pour le LHC

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Vue aVue aéérienne du futur LHCrienne du futur LHC

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SchSchééma du tunnel du LHCma du tunnel du LHC

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Le futur CNGSLe futur CNGSUn faisceau de neutrinos muoniques traverse la croûte terrestre sur 732 km, depuis le CERN (accélérateur SPS) jusqu’au Gran Sasso. Détection de neutrinos tauiques (apparition) pour étudier l’oscillation - (différent des expériences de disparition de qui n’apportent pas directement la preuve que l’oscillation se fait vers le ). Expériences ICARUS et OPERA.

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La dLa détection de particulesétection de particulesA mesure de l’augmentation de l’énergie de collision, les accélérateurs gagnent en taille et en complexité. Comme le nombre de particules produites dans une collision et la fréquence des collisions augmentent, les détecteurs doivent aussi être de + en + gros, et de + en + rapides.

On aboutit à des collaborations internationales regroupant de l’ordre de 500 à 2000 physiciens appartenant à 50 instituts. Les durées entre la conception et la fin de l’exploitation sont désormais de plusieurs dizaines d’années.

Assemblage de CMS au LHC

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Les particules dLes particules détectéesétectées

Les particules produites lors de la collision se désintègrent généralement immédiatement après avoir été créées. On ne les détecte donc pas directement. Les particules détectées sont celles qui sont stables, ainsi que des particules instables qui se désintègreraient après avoir traversé le détecteur parce que leur temps de vie est assez long (ou parce qu’elles sont produites avec un boost suffisant), et enfin les produits stables de désintégration des particules instables, parfois après des cascades de désintégration.

La détection d’une particule est non destructrice dans un premier temps (mesure de l’impulsion des particules chargées). Mais quasiment toutes les particules sont détruites dans les calorimètres par interactions électromagnétique et forte (mesure de l’énergie), et ne sortent pas du détecteur.

Seuls les muons, qui interagissent très faiblement avec la matière, et les neutrinos (qui n’interagissent presque pas du tout), s’échappent du détecteur.

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La distance de volLa distance de vol

Particule instable : temps de vie 0. La fraction de particules se désintégrant pendant t est constante au cours du temps si on a N0 particules au temps t = 0, au temps t il en reste :

N(t) = N0 exp(-t/0)

Il en reste N(t) = N0/2 pour t = 0 ln(2).

Ce temps de vie 0 est le temps propre de la particule, mesuré dans son référentiel de repos. Si la particule n’est pas au repos mais se déplace avec une vitesse v, le temps de vie apparent dans le référentiel du laboratoire est :

= 0 avec = (1 – v2/c2)-½

La distance de vol moyenne L dans le détecteur est :

L = v = c = c 0 = p c 0 / m

L est la distance mesurable par l’observateur, elle dépend de l’énergie de la particule. Dans le PDG : tabulation des c0, qu’il faut multiplier par l’impulsion de la particule pour connaître la distance de vol moyenne d’une particule dans le détecteur.

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Les particules dLes particules détectées étectées (suite)(suite)

Les particules que nous “voyons” dans nos détecteurs sont les suivantes :

particule c (cm) principale désintégration rapport d’embrancht

bosons de jauge :

stable / /

leptons :

e, stable / /

e- stable / /

- 6.59.104 e e 100 %

mésons :

0 2.5.10-6 98.8 %

± 780.4 100 %

K± 370.9 63.4 %

±0

21.1 %

±+-

5.6 %

-

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Les particules dLes particules détectées étectées (suite)(suite)


mésons (suite) :

K0S 2.675 + - 68.6 %

0 0 31.4 %

K0L 1554 e e 38.7 %

e 27.1 %

3 0 21.5 %

+ - 0 12.4 %

baryons :

p stable / /

n 2.7.1013 p e- e 100 %

7.89 p - 64.2 %

n 0 35.8 %

-

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Les particules dLes particules détectées étectées (fin)(fin)


baryons (suite) :

+ 2.4 p 0 51.6 %

n + 48.4 %

- 4.44 n - 100 %

0 8.69 0 100 %

- 4.92 - 100 %

- 2.46 K- 68.6 %

0 - 23.4 %

- 0 8.0 %

D’autres particules se désintègrent dans le tube à vide du faisceau, non instrumenté, mais nous les reconstruisons par la suite à partir des quadri-impulsions de leurs produits de désintégration qui sont stables et détectés.

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Les particules dLes particules détectées étectées (fin)(fin)

Détection dans DELPHI au LEP des désintégrations d’un (uds) et d’un produits dans un événement e+e- Z q q

Légende :

- en bleu = les protons,

- en rouge = les pions,

- en pointillés = les .

--

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Que mesure-t-on ?Que mesure-t-on ?

Ces particules interagissent dans des milieux instrumentés essentiellement par interaction électromagnétique (ionisation = création de paires e-/ion positif, création de paires e-/trous dans le silicium, Bremsstrahlung et création de paires e+/e-, rayonnement de photons Čerenkov ) mais aussi par interaction forte (développement de gerbes hadroniques). Lors de ces interactions, les particules déposent de l’énergie dans la matière du détecteur, qui est transformée en courant et digitisée. Dans certains cas, la particule ne perd qu’une fraction négligeable de son énergie, mais dans d’autres cas elle est complètement détruite à l’issue de l’interaction.

Les grandeurs mesurées sont déduites des traces du passage des particules dans la matière : trajet des particules chargées dans un champ magnétique et dépôt d’énergie.

mesure de l’impulsion, de l’énergie, des paramètres de la trajectoire (hélice), détermination du type de la particule (sa masse), du signe de sa charge, mesure du point de désintégration des particules instables à grand temps de vol et mesure du point de la collision.

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Mesure de l’impulsionMesure de l’impulsion

Champ magnétique B créé généralement par un solénoïde supraconducteur (// axe du faisceau, 1.2 T dans DELPHI au LEP, 4 T dans CMS au futur LHC) ou un toroïde (solénoïde + toroïde de 1400 tonnes dans ATLAS au LHC).

Importance de l’uniformité spatio-temporelle du champ.

La trajectoire d’une particule chargée dans le champ magnétique est une hélice, dont la projection transverse est un cercle de rayon .

Dans le plan transverse : q v B = m v2 /

p = p cos = q B

avec q = 1.6.10-19 Cb

et = angle polaire par rapport à l’axe du faisceau

et les dimensions : [p] = kg.m.s-1, [B] = T , [] = m

p (GeV/c) = 0.3 B

Donc si on mesure le rayon de courbure de la trajectoire d’une particule chargée on en déduit le signe de la charge de la particule et son impulsion.

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Reconstruction des trajectoiresReconstruction des trajectoires

Reconstruction des trajectoires des particules chargées dans le champ magnétique. Interaction électromagnétique entre la particule chargée et les atomes de la matière traversée création de charges qui vont permettre de localiser le passage de la particule. La perte d’énergie induite est faible et ne diminue pas sensiblement l’énergie de la particule, qui n’est pas détruite :

- l’ionisation (arrachage d’un électron du cortège électronique de l’atome) nécessite de l’ordre de 30 eV par e- arraché,

- la création d’une paire e--trou dans un semi-conducteur ne nécessite que quelques eV.

Le signal i(t) est généralement induit par le mouvement des charges (et non par la collecte des électrons, cf. théorème de Ramo) :

i(t) = q v(t) / d

les ions positifs sont plus lents (plus gros) et ce sont eux qui induisent la majeure partie du signal.++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++

---- -- -- -- -- -- --

particule chargée

tube de charges de quelques m

E

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Les chambres Les chambres à dériveà dérive

Volume, généralement cylindrique, rempli d’un gaz. Une plaque centrale crée un champ électrique // axe du cylindre (Haute Tension, par exemple 25 kV). Le volume gazeux est fermé par des disques bouchons, équipés de plans de fils mis à la haute tension avalanche des électrons (effet de pointe). Damier instrumenté à l’extérieur des disques pour mesurer la localisation en (x,y) par effet capacitif.

La position spatiale de la particule suivant la 3ième dimension z est déduite de la mesure du temps de dérive des électrons dans le gaz, en connaissant la vitesse de dérive (calibrée regulièrement, par exemple avec des dispositifs lasers).

Résolutions typiques : xy = 200 m, z = 1 mm, temps de dérive = 40 s.

Volumes typiques de détection : 10 m3.

Utilisé au LEP, car une collision toutes les 23 s, mais ne participe pas au déclenchement.

Inutilisable au LHC, une collision toutes les 25 ns.

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Les chambres Les chambres à dérive à dérive (fin)(fin)

La chambre à projection temporelle de l’expérience DELPHI auprès du LEP (1989-2000).

secteur pavant le bouchon

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Les chambres Les chambres àà fils filsVolume rempli de gaz, alternance de fils tendus : anodes portées à Haute Tension et cathodes mises à la masse.

Position spatiale (x,y) donnée par le fil touché. Possibilité de mesurer la coordonnée z en utilisant des fils résistifs (méthode de la division de la charge : la charge arrivant à chaque extrêmité est inversement proportionnelle à la distance entre l’impact et l’extrêmité).

Le compteur proportionnel multifils est mis au point par G. Charpak en 1968, Prix Nobel en 1992.

chambre à fils de l’expérience GLAST.

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Les chambres Les chambres àà micropistes micropistes

Dans les chambres à fils la distance entre les fils ne peut pas être réduite à moins de 1 mm sans risquer qu’ils ne se touchent en présence de champ électrique, et le temps de réponse est de quelques centaines de ns.

Pour pallier à ces limitations, A. Oed propose en 1988 les détecteurs gazeux à micropistes.

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Les chambres Les chambres àà micropistes micropistes (suite)(suite)

De nombreuses variations du principe de fonctionnement ont été développées par la suite à partir du principe initial de détecteur gazeux à micropistes, de façon à pouvoir répondre au cahier des charges des expériences actuellement en construction ou en cours de prise de données.

Les nouveaux détecteurs répondent notamment aux problèmes du vieillissement (durée de vie) et de la tenue face aux fortes radiations (vieillissement et modification du champ électrique qui induit une modification du gain).

Les solutions sont : séparer le volume de conversion (ionisation du gaz) , le volume de transfert et le volume d’amplification d’une part, et d’autre part utiliser plusieurs niveaux d’amplification pour limiter la charge spatiale locale sans diminuer le gain final.

Les volumes typiques de détection sont de l’ordre du m3, en utilisant un pavage de modules.

Les résolutions spatiales sont de l’ordre de 50 m.

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Les chambres Les chambres àà micropistes micropistes (fin)(fin)

Détecteur GEM + MSGC (double amplification et séparation du volume de conversion et du volume de transfert).

Détecteur Micromégas (séparation du volume de conversion et du volume d’amplification).

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Les dLes déétecteurs siliciumstecteurs siliciums

Jonction p-n déplétée. Lors du passage d’une particule chargée dans le substrat semi-conducteur, il y a création de paires e--trou. Sous l’action du champ électrique, ces paires dérivent vers les pistes de lecture (microbande dopées).

Ces détecteurs permettent de localiser le passage des particules chargées jusqu’à la région très proche du faisceau permet la reconstruction des vertex secondaires = point de désintégration des particules instables (point d’intersection des trajectoires des particules chargées issues de la désintegration de la particule instable).

La résolution spatiale atteinte est de quelques m.

Le volume de détection construit est généralement de l’ordre du m3 (prix du silicium !).

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Les dLes déétecteurs siliciums tecteurs siliciums (suite)(suite)

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Trajectoires reconstruitesTrajectoires reconstruites

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La calorimLa caloriméétrietrie

La mesure de l’énergie des particules se fait dans des milieux très denses et instrumentés : les calorimètres. Les particules y déposent toute leur énergie (sauf les muons et les neutrinos) mesure destructive.

Construit comme un sandwich d’absorbeurs (milieu dense) et de volumes sensibles (détection par interaction électromagnétique des particules chargées produites dans l’absorbeur).

Ne pas confondre la perte d’énergie d’une particule par ionisation (dE/dx) et l’énergie qu’elle dépose dans la matière, comme un calorimètre par exemple. Pour des particules rapides, une fraction importante de l’énergie cinétique incidente est transférée à des particules secondaire énergétiques, qui peuvent ensuite sortir du milieu sans avoir deposé la totalité de leur énergie phénomène très complexe.

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La calorimLa caloriméétrie trie (suite)(suite)

Calorimétrie électromagnétique :

- Détection des électrons :

création de paires e+ e-

bremsstrahlung e e

- De même détection des désintegrations 0 et des e+ e-.

développement d’une gerbe électromagnétique

Calorimétrie hadronique :

Collisions inélastique des n, p, ± sur un noyau de la matière composant le calorimètre (par exemple du Pb) casse le noyau (ce qui nécessite de l’ordre de 30 % de l’énergie de la particule incidente) production de hadrons secondaires etc… développement d’une gerbe hadronique par interaction forte. Gerbe de taille supérieure à celle de la gerbe électromagnétique et se développant plus tardivement le calorimètre hadronique est placé après le calorimètre électromagnétique.

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La calorimLa caloriméétrie trie (fin)(fin)

Cryostat du calorimètre de D0 au Tevatron. Absorbeur = plaques d’uranium appauvri, milieu actif = couches d’argon liquide.

Calorimètre à Argon liquide (= absorbeur) d’ATLAS au LHC, électrodes en accordéon.

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Identification des particulesIdentification des particules

Les particules chargées : L’identification d’une particule chargée consiste à mesurer sa masse, ou plus exactement à donner la probabilité d’une hypothèse de masse donnée. Cette hypothèse est déduite par exemple de la mesure simultanée de l’impulsion et de la vitesse de la particule, ou bien du dépôt d’énergie lors de l’ionisation d’un milieu et de l’impulsion, ou encore est basée sur l’effet Čerenkov et la mesure de l’impulsion.

Les particules neutres : La détection des particules est principalement basée sur l’interaction électromagnétique des particules (donc chargées) avec la matière. Les particules neutres sont détectées et identifiées via des particules chargées secondaires produites à la suite de désintégration, collision ou interaction de la particule neutre. L’identification est basée sur la forme, l’extension et l’énergie de la gerbe de particules secondaires produites.

Les neutrinos : Les neutrinos ont une probabilité d’interaction (faible) très faible. Il faut construire de très gros volumes de détection et attendre très longtemps pour contrebalancer cette section efficace. Les détecteurs placés auprès des collisionneurs sont trop petits et les neutrinos y sont mis en évidence lors du bilan énergetique.

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DDéétecteur de temps de voltecteur de temps de volGénéralement des scintillateurs lus par des PhotoMultiplicateurs.

Impulsion p = m v mesurée dans le trajectographe qui baigne dans un champ magnétique. Vitesse v = distance / temps, avec temps = tdétection – tcollision, obtenue avec le Time Of Flight. On en déduit une hypothèse de masse compatible avec ces mesures.

identification des particules chargées : p, K±, ±.

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Emission de photons Emission de photons ČČerenkoverenkov

Une particule chargée traversant un milieu crée dans son voisinage un champ magnétique local, entraînant la polarisation des molécules du milieu traversé. Par la suite le milieu se dépolarise émission d’un rayonnement .

vparticul

e

vparticule/c =

vlumière = c/n

vitesse des dans le milieu d’indice n

Les photons émis se distribuent sur des sphères dont le rayon augmente comme vlumière t. Si vparticule > vlumière, c’est-à-dire si > 1/n , la

tangente à toutes les sphères est un cône sur lequel se distribuent les photons émis (les sphères s’étendent moins vite que la particule ne se déplace, vlumière et vparticule sont constantes et il y a une interférence destructive à l’intérieur du cône).

vlumière CC

C

vparticul

ect

ct/n

vlumière

cos C = 1/n

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Emission de photons Emission de photons ČČerenkov erenkov (fin)(fin)

Seuil d’emission :

cos C = 1/n 1/n vitesse minimale pour qu’il y ait cône Čerenkov

Or = p/E E m n (n2-1)-1/2 énergie minimale pour qu’une particule de masse m produise un cône de photons Čerenkov dans un milieu d’indice n.

De même : p m (n2-1)-1/2 impulsion seuil.

Ce seuil d’émission ne dépend que de la masse m et de l’indice n. Il est d’autant plus bas que la masse est faible dans un milieu donné.

Saturation de l’angle :

Pour des vitesses élevées, c’est-à-dire quand 1, on sature l’angle Čerenkov :

cos C 1/n quelles que soient la masse m et la vitesse de la particule

Pour un milieu donné d’indice n, il est d’autant plus difficile de séparer les hypothèses de masse que est élevé. Il faut donc choisir soigneusement le matériau utilisé pour construire le détecteur Cerenkov.

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Principe d’identification avec un Principe d’identification avec un ČČerenkoverenkovIdentification des particules chargées uniquement car nécessite la mesure précise de l’impulsion p dans le trajectographe.

Mode veto :

Emission de photons Čerenkov si l’impulsion de la particule p m (n2-1)-1/2. Donc si on observe un cône on peut éliminer les hypothèses de masse m telles que m p(n2-1)1/2.

Mode image :

m = p (n2 cos2C - 1)1/2 estimation de la masse m de la particule à partir des mesures de l’impulsion p et de l’angle Čerenkov, et de la connaissance de l’indice n du milieu.

radiateur liquide

radiateur gazn = 1.283

n = 1.00172

KKKK

pp pp

ee

seuil

saturation

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DDéétecteur tecteur ČČerenkoverenkovPour mesurer C il faut mesurer la position de l’impact des photons

sur l’appareil de mesure (anneau) mais aussi connaître le point d’émission des photons dans le radiateur. Pour ce dernier point, il y a deux techniques :

utiliser des radiateurs minces : mais il faut veiller a collecter suffisamment de photons = f(épaisseur).

technique de focalisation : miroir pour rendre le point d’arrivée indépendant du point d’émission.

40 cm

1 cmExemple du RICH de DELPHI :

- radiateur gaz : n faible saturation tardive, mais seuil d’émission des photons élevé. Utilisé pour les hautes impulsions. Nombre de photons faibles radiateur épais + miroir.

- radiateur liquide : n plus élevé seuil d’émission faible mais angle plus vite saturé. Permet de couvrir les faibles impulsions. Nombre de photons émis élevé radiateur mince.

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DDéétecteur tecteur ČČerenkov erenkov (suite)(suite)

Reconstruction de la désintégration + K+ K- + avec les deux Kaons identifiés par le RICH de DELPHI.

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DDéétecteur tecteur ČČerenkov erenkov (suite)(suite)

Reconstruction de la désintégration c+ K- + p avec les particules

identifiées par le RICH de DELPHI et le vertex secondaire reconstruit dans le détecteur de vertex au silicium.

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Identification par dE/dxIdentification par dE/dx

La perte d’énergie moyenne par unité de longueur (dE/dx) d’une particule de masse bien supérieure à la masse de l’électron, par ionisation et excitation de la matière, est donnée par la formule de Bethe-Bloch :

dE Z 1 1 2 me 2 2 Tmaxe

Ce

dx A 2 2 I2 2 Z

= 4 N r2e me z2 ln - 2 - -

masse de l’électron

rayon classique de l’électron (re = /me) = constante de structure fine

nombre d’Avogadro

charge de la particule incidente

nombre atomique du milieu de propagation

masse atomique du milieu de propagation

facteurs de Lorentz de la particule incidente

énergie cinétique max transférable a un e- du milieu traversé

énergie moyenne d’excitation du milieu traversé (qq 10aines eV)

effet d’écrantage du champ électrique à haute énergie (dépend de la densité du milieu)

correction d’effet de couches à basse énergie (probabilité d’interaction avec couches intérieures)

densité surfacique du milieu (dx = dl)

-

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Identification par dE/dx Identification par dE/dx (suite)(suite)

Remarques :

1) Formule différente si la particule incidente est un électron. Les particules sont indiscernables dans la voie de sortie, et les transferts d’énergie sont plus importants car la particule incidente a la même masse que la particule avec laquelle elle interagit.

2) La formule de Bethe-Bloch donne le dépôt moyen d’énergie par ionisation du milieu. On observe des fluctuations importantes du dépôt d’énergie dues à la nature stochastique des collisions. L’amplitude des fluctuations est d’autant plus importante que les transferts d’énergie sont élevés. La distribution décrivant ce phénomène est la distribution de Landau (longue queue, utiliser le maximum de probabilité plutôt que la moyenne).

3) La mesure du dE/dx se fait généralement dans des détecteurs de type TPC, mais peut aussi s’envisager dans des détecteurs silicium par exemple (il faut un nombre de point de mesure suffisant).

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Identification par dE/dx Identification par dE/dx (fin)(fin)

ee

= p/m < 1 = p/m < 1 -dE/dx -dE/dx -5/3-5/3

≈ ≈ 4 4 minimum d’ionisation minimum d’ionisation (MIP)(MIP)

> 4 > 4 -dE/dx -dE/dx 2 ln( 2 ln() ) remontremontéée relativistee relativiste

Mesure de dE/dx dans un mélange gazeux Ar-CH4 80-20 %

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Identification des particules dans DELPHIIdentification des particules dans DELPHI

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Identification des muonsIdentification des muons

Principe : grosse quantité de matière placée en amont de chambres à fils toutes les particules sont arrêtées (déposent toute leur energie) sauf les muons et les neutrinos, qui ont une probabilité très faible d’interagir. Ensuite les muons (chargés) ionisent le gaz dans les chambres à fils on peut ainsi les identifier et localiser leur passage.

Grosse quantité de matière = solénoïde produisant le champ magnétique, ou pour certaines expériences sur cible fixe, un absorbeur constitué de matériaux de grande longueur de radiation (pour limiter la diffusion multiple des muons) et de faible longueur d’interaction (pour arrêter les autres particules).

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DDéétection des neutrinostection des neutrinos

La section efficace d’interaction des neutrinos et très faible, pour les étudier il faut disposer d’une source importante de neutrinos, de gros volumes de détection et un temps d’acquisition long.

La detection se fait essentiellement :

par radiochimie : transformation d’un atome en un atome radioactif (identifié chimiquement).

par courant faible :

X (X)X (X)- -

p(u),n(d),e- p(u),n(d),e-

e-,p(u),n(d)

e-

e,n(d),p(u)

x (x)x- (x+)

e-

e e

temps

Z W

W-

-

saveur du neutrino identifiée

espace

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DDéétection des neutrinos tection des neutrinos (suite)(suite)

Auprès des collisionneurs, des neutrinos sont aussi produits, mais en quantité trop faible pour les détecter dans le volume de détection. Ils sont néanmoins mis en évidence par leur absence dans le bilan énergetique. Par exemple :

collisionneur symétrique e+ e- : l’état initial est parfaitement connu.

pe- + pe+ = 0 = ∑ pfinal = ∑ pdétectés + p(+ pnon détectés)

Ee- + Ee+ = √s = ∑ Efinal = ∑ Edétectés + p (+ Enon détectés)

collisionneur hadronique : on ne connaît l’énergie et l’impulsion totales de la collision que dans le plan transverse au faisceau. En effet, on connaît la quadri-impulsion du (anti-)proton du faisceau mais pas la fraction d’impulsion du parton participant effectivement à la collision. Toutefois ce parton (quark de valence u ou d, gluon ou quark de la mer) porte une impulsion transverse nulle, et le bilan en impulsion ci-dessus peut s’écrire dans le plan transverse pour les collisions hadroniques.

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DDéétection des neutrinos tection des neutrinos (fin)(fin)

Evénement enregistré par l’expérience DELPHI durant un run du LEP à √s = 136.2 GeV.

Une unique trace chargée est observée avec un angle polaire d’environ 50o. Elle est identifiée comme un muon (au minimum d’ionisation dans les calorimètres).

Evénement identifié comme étant :

e+ e- e+ - e

perdu dans le tube à vide

non détectés

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RRéésumsumé des étapes de détectioné des étapes de détection

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Le Le détecteur DELPHI au LEPdétecteur DELPHI au LEP

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Les chambres du forward RICH

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Le Le détecteur DELPHI au LEP détecteur DELPHI au LEP (fin !)(fin !)

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ee++ e e-- Z Z e e++ e e--

Evénement Bhabha. L’électron et le positron ont fait une gerbe dans la HPC, et sont reconstruits dans le VD, l’ID et la TPC. L’e- (côté gauche en vue x,y) a une impulsion reconstruite de 45.9 GeV, et une gerbe électromagnétique reconstruite de 48.1 GeV. L’e+ a une impulsion reconstruite de 37.4 GeV et une gerbe reconstruite de 44 GeV.

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ee++ e e-- Z Z q q q q--

En haut à gauche (traces vertes) : K0 + -.

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ee++ e e-- Z Z 3 jets 3 jets

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Muon cosmiqueMuon cosmique

Muon cosmique reconstruit comme deux muons dos-à-dos dans la TPC. Sa trace est clairement décalée par rapport à z = 0, ce qui l’identifie comme cosmique.

La partie haute de la trace est splittée en deux de part et d’autre du milieu de la TPC, car cet événement n’est pas synchrone avec le déclenchement de l’acquisition (donné par le croisement des faisceaux) le t0 de la TPC est incorrect.

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ee++ e e-- W W++ W W-- 4 jets 4 jets

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ee++ e e-- Z Z Z Z ++ -- q q q q--

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ee++ e e-- W W++ W W-- q q q q--

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La construction d’ATLAS au LHC

ATLAS est un détecteur qui enregistrera les collisions pp du LHC à √s = 14 TeV, à partir de 2007 (comme CMS).

80

La construction de CMS au LHC

Documents

1 Production et détection des particules Production de particules Collisions et cible fixe Luminosité Collisionneurs e + e - et hadroniques Détection des