Collisions, Détection, Interprétation International MasterClasses 2012 12/03/12 - CERN

Le Large Hadron Collider Grand Collisionneur de Hadrons A quoi sert-il ? Accélérer des protons Produire des collisions Un gigantesque instrument à 100 m sous terre long de 27 km refroidit à 1,9 Kelvin un vide de 10-13 atmosphère

Collision ? Création de particules lourdes et instables (ex : t, W, Z) A quoi correspond le shéma ? Qu’y voit-on ? Tuyau, protons, part Interaction entre protons auxquels on a donné de l’énergie Création de particules lourdes et instables Création de particules lourdes et instables (ex : t, W, Z)

Les particules Rappel des différentes particules

Les particules stables

Les particules stables Les gluons et les quarks s’hadronisent. Les neutrinos sont quasi-indétectables

? Pour étudier les particules intermédiaires, il faut connaître les particules finales : leur type leur direction leur énergie

Les détecteurs au LHC

Compact Muon Solenoïd 14500 tonnes, 15 m de diamètre, 22 m de long

La détection des particules Déterminer leur direction

La chambre à étincelles + - HT HT Illustration d’un principe de détection avec la chambre à étincelles : ici uniquement pour visualisation HT

Trajectographe en Silicium Détecteur moderne sur principe semblable

La détection des particules Identifier la charge

Le rôle du champ magnétique Le champ magnétique courbe la trajectoire des particules chargées. La courbure dépend de la vitesse, de la masse et de la charge. Dans la chambre à bulle, les particules ralentissent et leurs trajectoires sont de plus en plus courbées. Fig.1 This bubble chamber picture shows some electromagnetic events such as pair creation or materialization of high energy photon into an electron-positron pair (green tracks), the Compton effect (red tracks), the emission of electromagnetic radiation by accelerating charges (violet tracks) (bremsstrahlung) and the knock-on electrons or delta ray (blue tracks) Un photon produit un électron et un positron. Les charges sont opposées et donc les courbures aussi.

La détection des particules Mesurer l’énergie

Calorimètre Principe : Calorimètre électromagnétique : Passage à travers de la matière dense Interactions produisant une cascade de particules secondaires Détection des particules secondaires et estimation de l’énergie de la gerbe Calorimètre électromagnétique : Détection des électrons et photons (ϒ) Dans CMS : cristaux scintillants → détection de lumière Calorimètre hadronique : Détection des hadrons

Les différentes sorte de détecteurs sont empilées autour du point de collision

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Electron: Bending in the magnetic field, leaving hits in the tracker layers and being “stopped” by the electromagnetic calorimeter

Photon: passes through the tracker without bending in the magnetic field or leaving hits, is “stopped” by the electromagnetic calorimeter

Charged hadron: Bends in the magnetic field and leaves signals in the tracker layers; passes through the electromagnetic calorimeter leaving essentially no signal, and is “stopped” by the hadron calorimeter

Neutral hadron: Does not bend in the magnetic field and does not leave any signal in the tracker layers; passes through the electromagnetic calorimeter leaving essentially no signal, and is “stopped” by the hadron calorimeter

Muon: passing through CMS, bending in the field (both ways, depending on when it is inside or outside of the solenoid) leaving hits in the Tracker layers and the muon chambers before escaping completely

Visualisation d’un événement à plusieurs part.

Les particules stables Pour quelles particules n’a-t-on pas parlé de la manière de les détecter ?

Mesurer des particules indétectables ! Dans le plan transverse : les particules sont produites au centre du détecteur les directions des toutes les particules s’équilibrent un déséquilibre est signe d’une particule non détectée Energie manquante

? But de la détection : mesurer les part. finales et utiliser leurs infos pour savoir ce qui a été produit comme états intermédiaires

Reconstruire le puzzle ? Les pièces : les directions et l’énergie des particules détectées La méthode : la conservation de l’énergie, de la quantité de mouvement, de la charge Le résultat : des infos sur la particule intermédiaire (masse, vitesse …) Exemple simple avec décroissance en 2 corps. Peut être + compliqué avec cascades et pb de combinaisons. Z a une charge nulle Ex : Z0 → e+ e- , H → 

Higgs →  Recherche du boson de Higgs donnant 2 photons : événements rares d’autre particules (π0) ressemblent aux  dans le détecteur ces faux événements donneront une masse erronée pour le Higgs reconstruit

Simulation: 1 fb-1 (proportionnel au nombre de collisions produites) Higgs →  Simulation: 32 fb-1 Simulation: 8 fb-1 Simulation: 16 fb-1 Simulation: 4 fb-1 Simulation: 2 fb-1 Simulation: 1 fb-1 (proportionnel au nombre de collisions produites) Proba de production d’un boson de Higgs x5 2 scénarios : Le Higgs existe ou non. Lorsque les données ne sont pas assez nombreuses, la différence n’est pas visible