EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud1 Ou faire de la ph.d.p.? Dans les laboratoires de l’IN2P3 (www.in2p3.fr)www.in2p3.fr Au DSM/DAPNIA Saclay (www-dapnia.cea.fr)

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1 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud1 Ou faire de la ph.d.p.? Dans les laboratoires de l’IN2P3 (www.in2p3.fr)www.in2p3.fr Au DSM/DAPNIA Saclay (www-dapnia.cea.fr)

2 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud2 Ou faire de la ph.d.p.? Quelques grands centres autour du globe possedant des accelerateurs pour la physique des hautes energies...

3 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud3 En quoi consiste une experience de ph.d.p.? etat initial : particules suffisemment stables et de caracteristiques bien defines detecteurs mesures analyse test modele etat final : particules suffisemment stables pour avoir atteint le detecteur: e, ,K,p,..., jets collision interaction et etats intermediaires accelerateur a tres haute energie: pour sonder la matiere de plus en plus finement, de Broglie: = hc/E pour produire des particules de plus en plus lourdes: E = mc 2

4 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud4 Les accelerateurs

5 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud5 Les accelerateurs

6 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud6 Accélérateur a la maison Particules accélérés: électrons Énergie: ~10kEV Cible: écran fluorescent

7 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud7 Les accelerateurs

8 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud8 Les accelerateurs

9 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud9 Les accelerateurs

10 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud10 Les accelerateurs

11 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud11 Les accelerateurs

12 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud12 Les accelerateurs

13 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud13 Accelerateurs... survol Deux types d’utilisation: sur cible fixe energie disponible au centre de masse: E CM = s 1/2 = √ (2EM+m 2 +M 2 ) ~ √ (2EM) (E>>M,m) energie disponible pour la creation de particules varie ~ E 1/2 reste de l’energie initiale transformee en energie cinetique des particules secondaires (=> e.g. utilisation pour faisceaux secondaires) detecteurs vers l’avant (E,p),m (M,0)

14 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud14 Accelerateurs... survol Deux types d’utilisation: collisionneur s = 2E 1 E 2 +2|p 1 ||p 2 |+m 1 2 +m 2 2 ~ 4E 1 E 2 si E 1,E 2 >> m 1,m 2 si E1 = E2 = E alors s 1/2 = 2E toute l’energie initiale est disponible pour creer de nouvelles particules systeme du laboratoire = systeme du centre de masse particules emises tout autour du point d’interaction (E 1,p 1 ),m 1 (E 2,p 2 ),m 2

15 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud15 SLC @SLAC ≤ 2000: SLC, @SLAC, Stanford, USA lineaire, e + e -, 3.2 Km de long, E CM = 100 GeV

16 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud16 SLC @SLAC ≤ 2000: SLC, @SLAC, Stanford, USA lineaire, e + e -, 3.2 Km de long, E CM = 100 GeV

17 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud17 LEP @CERN ≤ 2000: LEP, @CERN Geneve circulaire, e + e -, 27 Km de long, E CM < 206 GeV

18 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud18 CERN accelerators

19 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud19 Choix de la énergie pour e+ e- Tristan SLC LEP2 (WW) Babar Belle u,d s c b t

20 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud20 HERA @DESY ≥ 2000: Hera run II, 6.3 Km de long, @Desy Hambourg circulaire, e+/e- de 27 GeV, p de 920 GeV

21 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud21 TeVatron @Fermilab ≥ 2000: Tevatron run II, @Fermilab Chicago circulaire, p p, 6.3 Km de long, E CM = 1960 GeV Main Injector & Recycler Tevatron Chicago   p source Booster pp p p pp 1.96 TeV CDF DØ

22 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud22 LHC @CERN ≥ 2007:LHC, @CERN Geneve circulaire, pp, 27 Km de long, E CM = 14 TeV

23 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud23 ILC @qqpart sur terre... ≥ 201x: lineaire, e + e -, E CM = 0.5 – 1.5 TeV SLC ILC

24 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud24 Source de radiation synchrotron Faisceau d’électrons Applications utilisent photons de haute énergie

25 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud25 Accelerateurs... survol saturation des courbes a cause du cout par GeV => besoin de concepts nouveaux

26 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud26 Collisionneurs e+e- circulaires de rayon R: limites par la radiation synchrotron:  E ∝ E 4 /(m 4 R) par tour c.a.d environ 4 GeV a LEP200 pas ce probleme pour les collisionneurs hadroniques car (m e /m p ) 4 ~ 10 -13 collisionneurs e+e- de tres haute energie doivent etre lineaires! ∝ E 2 ∝ E toute l’energie disponible est utilisee dans le processus

27 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud27 Collisionneurs ep le faisceau d’electrons sonde la structure du proton: diffusion profondement inelastique (Deep Inelastic Scattering = DIS): ep -> eX relation entre la section efficace de DIS et la section efficace du sous-processus partonique eq q h (x)dx: est la probabilite de trouver un parton de type q dans le hadron h emportant une fraction de l’impulsion du hadron comprise entre x et x+dx PDF = parton distribution function

28 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud28 Collisionneurs pp les collisions pp: contiennent des processus durs de partons q, q et g (energie) 2 disponible pour le sous-processus partonique est ŝ = x 1 x 2 s au LHC, s ½ = 14 TeV et ŝ ½ pourra aller jusqu’a qques TeV Une fraction importante de l’energie est emportee par les restes des protons

29 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud29 Comparaisons de collisionneurs leptoniques (LEP, SLC, ILC,...): environnement experimental “propre” toute l’energie est utilisee dans le processus => cette contrainte est utilisee dans l’analyse des donnees etat initial bien defini, polarisation des faisceau possible, energie au centre de masse reglable bon rapport signal sur bruit pratiquement tous les evenements peuvent etre enregistres => physique de precision espace de decouverte limite par l’energie au centre de masse disponible

30 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud30 Comparaisons de collisionneurs... hadroniques (TeVatron, LHC,...): plus facile d’obtenir de tres hautes energies au point de vue cinematique, on ne peut en general qu’utiliser la conservation de l’impulsion transverse la nature composite des protons donne lieu a un evenement sous-jacent (“underlying event) particules dans l’etat initial sont sensibles a l’interaction forte: enormes bruits de fond QCD rapport signal/bruit en general plus mauvais seulement une petite fraction des evenements peut etre enregistree => necessaire de developper des mecanismes de declenchement en ligne (triggers) tres selectifs. Au LHC il faudra un facteur de rejection de l’ordre de 10 7 => en general espace de decouverte moins limite mais environnement experimental plus difficile

31 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud31 Collisionneurs hadroniques

32 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud32 Comparaisons de collisionneurs... ordre de grandeur des principaux processus au LHC

33 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud33 Comparaisons de collisionneurs... simulation d’un evenement gg->H->ZZ->  +  -  +  -

34 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud34 Pile-up a LHC SUSY event (no pileup) SUSY event (10 34 cm -2 s -1 ) Pile-up  additional -mostly soft- interactions per bunch crossing Startup luminosity 2  10 33 cm -2 s -1  4 events per bunch crossing High luminosity 10 34 cm -2 s -1  20 events per bunch crossing Luminosity upgrade 10 35 cm -2 s -1  200 events per bunch crossing

35 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud35 Comparaisons de collisionneurs... evenement e + e - ->Z->  +  - a LEP

36 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud36 Collisions hadroniques... cinematique

37 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud37 Collisions hadroniques... cinematique

38 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud38 Collisions hadroniques... cinematique rapidite: y pseudo-rapidite:  (m->0 ou  ->1)  point d’inter- action transverse ≡ perpendiculaire a l’axe des faisceaux cone  R  R = √((  ) 2 + (  ) 2 ) energy/impulsion transverse

39 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud39 Collisions hadroniques... cinematique

40 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud40 Collisions hadroniques... jets les partons colores provenant de l’interaction dure evoluent par le processus d’hadronisation en une gerbe de hadrons pointant a peu pres dans la meme direction => jets les hadrons dans un jet ont une faible impulsion transverse relativement a la direction du parton parent du jet. La somme des impulsions des hadrons du jet est proche de l’impulsion du parton parent les jets se manifestent comme des aggregats (clusters) localises d’energie deposee dans les calorimetres les jets sont la signature experimentale des quarks et gluons

41 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud41... jets...

42 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud42... jets...

43 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud43... jets...

44 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud44... jets... Jet energy corrected to the particle level defined as: - Offset (O): energy not associated with the hard- scatter (multiple interactions, pileup, noise) - Response (R jet ): calorimeter response to a jet - Showering (S): fraction of energy from particles nominally inside (outside) the jet cone which is deposited outside (inside) the jet cone because of the finite size of showers in the calorimeter

45 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud45 Collisions hadroniques... evenement sous-jacent = underlying event hadrons approchent interaction dure gerbe de partons hadronisation desintegration a = 1, b = 2

46 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud46 Collisions hadroniques... section efficace f i = Fonctions de Distributions de Partons (Parton Distribution Function = PDF)  X = (PDF’s pour p et p )  (section efficace partonique) factorisation des effets a courte et longue distances differentes echelles interviennent ici: Q: caracterise l’interaction dure parton-parton  F : echelle de factorisation qui entre dans l’evolution des PDF’s. parametre arbitraire qui peut etre interprete comme l’echelle separant la physique et courte et longue distance  R : echelle de renormalisation qui intervient dans la constante de couplage fort typiquement on peut prendre:  F =  R = Q ~ E T /4 – 2E T des jets

47 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud47 Collisions hadroniques... PDF’s Les Fonctions de Distributions de Partons du proton son mesurees a une echelle donnee. Leur evolution est alors calculee en QCD perturbative a l’echelle de l’interaction appropriee. Les PDF’s sont determinees en faisant des ajustements globaux sur les donnees de DIS, de Drell-Yan, de production de photon directs et de production de jets

48 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud48 Detecteurs... survol Grandeurs a mesurer: Origine: detecteur de vertex: x 0,y 0,z 0 Trajectoires: trajectometre: x i,y i,z i (i=1,N) Impulsions: champ magnetique + trajectographe: p i (i=1,N) Energie: calorimetre: E electromagnetique, E hadronique Vitesse: dE/dx, effet Cerenkov, temps de vol => identification muons calorimetres EM HADCrkv aimant trajecto- metre cible et det. vertex

49 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud49 Detecteurs... survol Informations laissees dans les detecteurs par les particules produites dans les collisions: e±: charge => laisse une trace dans le trajectometre et depose de l’energie dans le calorimetre  ±: laisse une trace dans le trajectometre et depose tres peu d’energie (minimum d’ionisation) dans le calorimetre, donne un signal dans les chambres a muons  : depot d’energie dans le calorimetre comme le e±, mais pas de trace associee dans le trajectometre neutrinos et autres particules interagissant faiblement: n’interagissent pas a l’interieur du detecteur => impulsion manquante ou energie manquante quarks: hadronisation => jets. Direction des jets energetiques est liee a la direction du parton initiateur du jet. Energie mesuree dans les calorimetres. Traces dans le trajectometre provenant des particules chargees faisant partie du jet quarks lourds (b): reconstruction dans le detecteur de vertex d’un vertex de desintegration deplace par rapport au vertex primaire.  ~ 1.5ps =>  c  ~ qques mm pour E T ~ 10-100 GeV

50 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud50 Detecteurs... survol Tranche de CMS (LHC)

51 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud51 Detecteurs... survol Tranche de CMS (LHC)

52 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud52 Real LEP events (ALEPH) ?

53 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud53 Real LEP events (ALEPH) e+e- qq qqg +-+-

54 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud54 Detecteurs... survol vertex secondaire ou l’interaction a eu lieu ou le hadron beau s’est desintegre

55 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud55 Detecteurs... survol le detecteur ATLAS

56 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud56 Tout cela est bien complexe... => necessite d’outils de simulation au niveau processus physiques qu’au niveau detecteur

57 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud57 Simulation... generateurs pourquoi utiliser des generateurs? permet d’effectuer des etudes theoriques et experimentales de physique multiparticule complexe vehicule pour disseminer des idees entre theoriciens et experimentateurs ils sont utilises pour: predire des taux et topologies d’evenements => permet d’estimer la faisabilite simuler les bruits de fond possibles => permet d’optimiser les strategies d’analyse etudier les caracteristiques requises des detecteurs => permet d’optimiser la conception des detecteurs/triggers etudier les imperfections des detecteurs => permet d’evaluer les corrections d’acceptance

58 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud58 Generateurs... ou ils entrent en jeu

59 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud59 Generateurs... processus de base

60 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud60 Generateurs... processus de base

61 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud61 Generateurs... hadronisation modele des cordes de Lund gluon = kink sur corde emportant energie et impulsion

62 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud62 Generateurs... le paysage

63 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud63 Generateur... les sous-processus

64 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud64 Generateurs... The Big Picture

65 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud65 Simulation... detecteurs... un example Geant4: “nouveau” logiciel qui exploite des techniques avancees de developpement logiciel et de technologie orientee objet Il permet de simuler avec precision le passage de particules au travers la matiere. Il inclut: description de la geometry du syteme description des materiaux utilises la generation des evenements primaires le suivi des particules au travers des materiaux et des champs electromagnetiques les processus physiques gouvernant les interactions des particules la reponse des composantes sensibles des detecteurs la generation des donnees des evenements le stockage des evenements et des traces la visualisation des detecteurs et des trajectoires des particules

66 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud66 Geant4: Simulation... detecteurs... un example

67 EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud67 Simulation... detecteurs... un example