Naissance de UA2 et premiers résultats en honneur de Pierre Darriulat Prix André Lagarrigue 2008 Luigi Di Lella Scuola Normale Superiore, Pisa, Italie 23 mars 2009

(publié dans les comptes-rendus de la conférence Neutrino 76, Aix-la-Chapelle, 8 – 12 juin 1976)

1. Réunion du “Research Board” du 25 novembre Réunion du “Research Board” du 8 décembre 1977 Annonce de la première injection de protons (2 GeV) dans l’anneau ICE Projet ICE: “initial cooling experiment”

3. Réunion du “Research Board” du 25 mai 1978

Entretemps, des groupes de physiciens avaient déjà soumis des propositions d’expérience au comité des expériences au SPS (SPSC)

Détecteur UA – 1985 Région centrale: détecteurs de traces (“vertex detector”); détecteur de pied de gerbe (“preshower”); calorimétrie électromagnétique et hadronique; pas de champ magnétique. Régions 20° – 40° : champ magnétique toroïdal (2 x 12 bobines); détecteurs de traces + détecteurs de pied de gerbe; calorimétrie électromagnétique. Pas de détecteurs de muons

Réunion du “Research Board” du 29 juin 1978 Naissance de l’expérience UA1 … mais on ne sait pas encore si le CERN peut se permettre la construction d’une deuxième zone d’expériences

24 octobre 1978: une nouvelle proposition d’expérience est soumise au SPSC par un groupe de physiciens engagés dans une étude de production de paires     aux ISR (expérience R-109)

La deuxième page de la proposition P119 …

La proposition P119: 1. INTRODUCTION …………………………. In recent years we have built two ~4  detectors to study muon pairs. 1.1 At the ISR ……………………….. There are strong indications of events at mass 20 ~ 30 GeV which are being analysed. These events would clearly indicate that very unusual phenomena are occurring. ……………………….. bruits de couloir que l’expérience R-109 aux ISR aurait découvert l’état lié t t se désintégrant en    , ce qui est pris par certains comme la démonstration que les muons sont supérieurs aux électrons dans la recherche de nouvelles particules.

28 novembre 1978: présentation de la proposition P119 au SPSC et nouvelle présentation de P93 (mise à jour)

Les deux “referees” nommés par le SPSC pour étudier les propositions P93 et P119 présentent leurs conclusions à la réunion du SPSC du 13 décembre 1978 Ils trouvent que l’installation de l’absorbeur de hadrons autour de la chambre à vide, proposé par P119, n’est pas une très bonne idée, principalement pour les raisons suivantes: 1. Impossibilité de mesurer l’ énergie transverse manquante associée avec le neutrino issu de la désintégration W → e ; 2. Impossibilité d’appliquer des critères d’isolations aux muons bruit de fond important provenant de la désintégration sémileptonique des particules “charmées” ; 3. Sujets de physique étudiés par le détecteur trop limités. Le SPSC suit les deux “referees” et décide de recommander au Research Board d’approuver P93

Réunion du “Research Board” du 14 décembre 1978 Naissance de l’expérience UA2

Montage du détecteur UA2: le calorimètre central

Etude de trois modules du calorimètre central sur faisceau (1980)

Le détecteur UA2 avant la campagne de prise de données du printemps 1983

L’accumulateur d’antiprotons (AA) pendant la construction en 1980

Accélérateurs et lignes de faisceaux au CERN avant le démarrage du collisionneur pp (juillet 1981)

Le détecteur UA2 remplace UA5 à la fin de l’été 1981, après calibration de tous les calorimètres sur faisceau Luminosité Luminosité Energie max. integrée Année (GeV) cm -2 s -1 cm ~ x x x x x x x ~1 x x Les campagnes de prises de données de l’expérience UA2 jets hadroniques W → e Z → e  e  Juillet 1981 Les premières collisions proton – antiproton à 546 GeV sont détectées par trois expériences: UA1 UA2 (étude de la diffusion élastique pp) UA5 (deux chambres à “streamers” à enregistrement photographique)

Premiers résultats Campagnes de prise de données 1981 – 82 avec spectromètre magnétique à 90º integré dans le calorimètre central Production inclusive de  º

Première observation de jets dans les collisions hadroniques (résultat phare à la Conférence Internationale des Hautes Energies, Paris, été 1982) Les collisions hadroniques 10 ans plus tôt (avant les premières expériences aux ISR): impulsion transverse limitée: ≈ 300 MeV/c “Il n’y a rien à voir à 90º dans les collisions hadroniques de haute énergie” (le leitmotif en 1968 – 69, dans les groupes d’études en préparation de la physique aux ISR) Toutefois, les premières expériences aux ISR ont mis en évidence une production abondante de particules à ~90º avec grandes valeurs de p T Ex.: production inclusive de  º Interprétation proposée: diffusion à grands angles de composants sans structure du proton (“partons” ≡ quarks, antiquarks, gluons p T (GeV/c)

Dans cette interprétation, les “partons” diffusés à grands angles devraient apparaître comme deux jets de hadrons avec Toutefois, le déclenchement par une seule particule de haut p T (“trigger bias”) et la conservation de l’impulsion pourraient induire une structure à jet dans l’hémisphère opposé à la particule de haut p T Conférence Internationale des Hautes Energies, Tbilisi, juillet 1976 Extrait des conclusion

Transverse energy. A surprise in the collider data is the unexpectedly frequent appearance of events with very high transverse energy, and the way this transverse energy is distributed among the outgoing particles. ………………………………………………………………………………… In a simplified form of the standard QCD theory of hadronic interactions, high-E T particles are produced primarily in the relatively rare “hard scatters” of quarks in the colliding hadrons. This picture predicts, furthermore, that high- E T tracks should emerge well collimated in narrow back-to-back “jets”, reflecting the directions of the two quarks after their hard collision. The UA1 data indicate a rather different picture for the bulk of high- E T events. Instead of being concentrated in a few jet-like particles of very high individual transverse energies, the anomalously high total E t appears generally to be distributed quite uniformly among the particles emerging in all azimuthal directions. …………………………………. Clean parton-model jets, it would appear, will be much more elusive in hadron-hadron than in e  e  collisions. Physics Today, Février 1982, p – 81: Expérience NA-5 au SPS du CERN Collisions p (   ) – H 2, faisceaux de 150 et 300 GeV; calorimètre à symétrie azimuthale, couvrant 45º <  <135 dans le centre-de-masse; déclenchement sur l’énergie transverse totale (pas de “trigger bias”) Les particules émises dans les événements avec E T grande sont distribuées uniformement en  : pas de structures à jet observées Résultat confirmé par une expérience semblable au Fermilab avec faisceau de protons de 400 GeV

 E T (GeV) Fraction UA2 Distribution de l’énergie transverse totale (somme sur les cellules du calorimètre central) Reconstruction d’amas d’énergie transverse (somme sur les cellules adjacentes avec E > 0.4 GeV); : énergie du n-ème amas ; Les événements avec  E T > 100 GeV sont constitués principalement de deux amas d’ énergie transverse

Evénements avec  E T > 60 GeV: séparation azimuthale  12 entre les deux amas principaux Projection d’un événement à deux jets dans un plan perpendiculaire à l’axe des faisceaux Distribution de l’énergie transverse dans le plan ( ,  ) pour quatre événements typiques avec  E T > 100 GeV

UA1 UA2 Section efficace de production inclusive de jets en fonction de p T (jet) (données 1981 – 83) Bande illustrant la dispersion des prédictions QCD

Mesure de la distribution angulaire de la diffusions parton – parton à grand angle ( gg→gg, qg→qg, qg→qg, qq→qq) Distribution angulaire dominée par le terme de Rutherford sin  4 (  */2) dû à l’échange d’un boson vectoriel (le gluon) C’est grâce aux résultats du collisionneur proton – antiproton du CERN qu’aujourd’hui on peut considérer les collisions hadroniques à grand transfert d’impulsion comme des collisions entre faisceaux “large – bande” de particules élémentaires sans structure (quarks, antiquarks, gluons)

Plaque que Pierre a fait graver en deux exemplaires à l’occasion de la visite au CERN des Présidents de la République Française et de la Confédération Suisse L’événement à deux jets est un dessin artistique fait par Pierre en utilisant l’information du détecteur UA2 (traces, énergie déposée dans le calorimètre ) Une photo de Pierre prise (peut-être) à la même occasion

3ème “Topical Workshop on Proton – Antiproton Collider Physics” Rome, 12 – 14 janvier 1983 CONCLUSIONS L.M. Lederman ………… The speed with which data were analyzed and physics results presented was truly astonishing, considering the complexity of the collisions, the sophistication of the detectors and the “hordes” of experimental physicists. …………….. Cela se passait il y a plus qu’un quart de siècle …

Le titre de l’exposé de Pierre est un hommage implicite à André Lagarrigue et à sa découverte des intéractions des neutrinos de type “courant neutre” dans la chambre à bulles Gargamelle au CERN en 1973:  première évidence expérimentale de la théorie unifiée electrofaible;  première mesure de l’angle  w, permettant de prédire les valeurs des masses des bosons W et Z à ~15 GeV près. Erice, Italy, 27 July – 4 August 1994