COMMENT ON OBSERVE LES PARTICULES ELEMENTAIRES Chafik Benchouk Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediène, Bab Ezzouar, Alger Laboratoire Sciences Nucléaires et Interaction Rayonnement-Matière

Les particules élémentaires Détection

Fermions fondamentaux du Modèle Standard fermions (spin ½) + antiparticules désintégration du muon : Détection

Matière « ordinaire » : nucléons, noyaux, atomes Tableau des baryons (hadrons faits de 3 quarks) les plus légers : forces de liaison (atomique, nucléaire) particules instables (sauf proton) : désintégrations Radioactivité b : (interaction faible) Détection

Matière instable Radioactivité b : Tableau des mésons les plus légers : Désintégrations similaires à la radioactivité b - Interaction faible - Durées de vie relativement longues Autre famille de baryons : - Désintégration par interaction forte - Durées de vie très courtes Radioactivité b : Détection forces de liaison (atomique, nucléaire) particules instables (sauf proton) : désintégrations

Autres particules instables Photon (boson de l’interaction électromagnétique) stable Bosons W et Z (interaction faible) Bosons de Higgs (unification, à l’origine de la masse des particules) durées de vie très courte ( ~ 10-24 s) Particules "au-delà du modèle standard" (supersymétriques,…) Détection

"Dualité" quarks-hadrons Particules fondamentales : quarks - portent une charge quantique (couleur) - théorie : chromodynamique quantique Propriété des quarks : - n’existent pas individuellement à l’état libre (inobservables) - existent dans des assemblages ‘neutres’ de couleur (comme les atomes sont des assemblages neutres de charge électrique) Particules observables dans la nature : - assemblages à 3 quarks : baryons (ex : proton) - assemblages quark-antiquark : mésons (ex : p) Cas particulier du quark top : se désintègre avant de se hadroniser (t ~ < 10-25 s) Détection

Particules visibles dans les détecteurs Particules directement détectables : - particules stables : électron , proton, photon - particules à durée de vie longue (~ > 10-8 s) : muon, pions, kaons, neutron - distance parcourue dans le laboratoire : d = g b c t ( t : durée de vie propre, c-à-d dans le référentiel au repos de la particule) - b : proche de 1 (particules relativistes) - g : > 1 Détection

Particules observées indirectement Particules à durée de vie courte (~ < 10-8 s) dont les produits de désintégration sont des particules détectables - baryons et mésons lourds (quark b) - lepton t - découverte des bosons W et Z - recherche du boson de Higgs par l’étude des profils de probabilités d’interaction, i.e. courbes de résonance (qd temps de vie trop court pour être mesuré mais largeur de résonance supérieure à la résolution expérimentale ; DE ~ h/t) Cas des neutrinos : - stables mais faiblement interagissant - détection indirecte via bilan d’énergie-impulsion dans l’événement (si résolution du détecteur suffisante) - si détecteur suffisamment massif, possibilité de réinteraction et production de particules détectables (muons, électrons) Détection

Détection des particules

Principe de détection de particules chargées : ionisation

Signal induit Détection

Détecteur élémentaire de trajectoires de particules Détection

Mesure des impulsions des particules chargées 1- Enregistrement des trajectoires dans des détecteurs comme la chambre à fil , placés dans un champ magnétique (spectromètre, trajectographe,…) 2- Calcul des impulsions par la mesure de la courbure des trajectoires. 3- Détermination de la charge électrique de chaque particule par le sens de courbure de sa trajectoire. Exemple : - Détecteur ALEPH (collisionneur LEP) - collision e+e- à 207 GeV (en 2000) - cet événement : candidat boson de Higgs de masse 114 GeV. Détection

Reconstruction de particules désintégrées Détecteurs de trace très précis ex : détecteurs au silicium Reconstruction des points (ou ‘vertex’) de désintégration de particules instables Exemple : - agrandissement de l’événement précédent - Reconstruction de hadrons ‘beaux’ (contenant un quark b) - durée de vie : 1.54 ps - ct = 0.46 mm - si p=10-100 GeV, g = 2-20 et longueur de vol = 1-10 mm Détection

Identification des particules chargées par mesure de l’ionisation L’énergie perdue par ionisation dépend : - des paramètres (relativistes) g et b - c-à-d de l’impulsion et de la nature (masse) de la particule Voir calcul élémentaire (non-relativiste) de la perte d’énergie dans le fichier : - ionisation_elementaire.pdf ( et .ps) équation de Bethe-Bloch Impulsion mesurée dans le spectromètre : - détermination de la nature de la particule par mesure de l’ionisation Exemple : - Détecteur gazeux à fils (TPC) - mesures expérimentales et courbes d’ionisation théoriques Détection

Perte d’énergie par rayonnement dans milieu dense Détection

Mesure d’énergie avec les calorimètres Calorimètre électromagnétique : - rayonnement électromagnétique (accélération dans les champs de noyaux à Z élevé ) - rayonnement important pour les électrons (car légers) – identification des électrons de grande énergie - détecteur de photons de grande énergie (E > 50 MeV) Calorimètre hadronique : - perte d’énergie par interaction forte (nucléaire) - détecteur de hadrons (proton, neutron, kaons, pions) Cas du muon : - lepton chargé ‘lourd’ - interagit très peu dans les calorimètres - perte d’énergie par ionisation (aux énergies actuelles) Cas du neutrino : - lepton neutre - pratiquement indétectable Détection

Schéma de détection Détection

Détecteur en couches cylindrique Détection

Détecteur en couches cylindrique Détection

Identification calorimétrique Exemple : - Détecteur ALEPH (collisionneur LEP) - calorimètre électromagnétique : en vert - calorimètre hadronique : en rouge Électrons : dépôt électromagnétique + trace chargée Photons : dépôt électromagnétique sans trace chargée Muon : trace traversant tout le détecteur Hadrons : dépôt dans le calorimètre hadronique Détection

Le détecteur ATLAS p p 7000 tonnes 44 m de long 22 m de haut Spectromètre à muons Calorimètre électromagnétique solénoïde Toroïde bouchon p p 7000 tonnes 44 m de long 22 m de haut Détecteur interne Calorimètre hadronique Calorimètre avant Toroïde central Détection

Détecteurs installés au LHC ATLAS et CMS : recherche du boson de Higgs, etc. (ATLAS : long. 44 m, diam. 22 m) LHCb : étude des violations de symétrie ALICE : collisons d’ions lourds (plasma quark-gluon) Détection

Parcours d'une tranche du détecteur CMS Cliquer sur un type de particule pour visualiser son parcours dans CMS (Press “escape” to exit) Détection

Parcours d'une tranche du détecteur CMS Cliquer sur un type de particule pour visualiser son parcours dans CMS (Press “escape” to exit) Détection

Observation indirecte (production virtuelle) Propriété quantique : Production de particule lourde (plus lourde que l’énergie de la réaction) autorisée pendant un temps très court (inégalité de Heinsenberg : E*t ~ h) - particule ‘virtuelle’ Exemple 1 : connaissance de la masse du boson W à partir des données sur les désintégrations faibles avant sa production réelle (collisionneur proton-antiproton SPS, CERN, 1984) Exemple 2 : détermination indirecte de la masse du quark top grâce aux données très précises de diverses expériences (en particulier LEP) indépendamment de son observation directe (collisionneur proton-antiproton TEVATRON, Fermilab, Chicago, 1995) Comparaison des deux valeurs : test de la cohérence du modèle théorique Détection

Détermination indirecte de la masse du boson de Higgs Hypothèse d’existence du boson de Higgs (pas encore observé directement par ses produits de désintégration) et exigence de cohérence du modèle théorique Résultat de l’ajustement : mH = 113 (+56, -40) GeV c-à-d : masse du boson de Higgs < 246 GeV (95% CL) Détection

Détermination indirecte du nombre de neutrinos au LEP LEP : e+e- gZgff ff : e+e-, mm, tt, nn, qq Evénements avec neutrinos non enregistrés (non détectés) Détermination du nombre de n (ne , nm , nt , ?…) par la mesure (précise) de la courbe de résonance de la section efficace en fonction de l’énergie dans les canaux ff observés Détection

Identification-détection par effet Cerenkov - Se produit pour une particule chargée de vitesse v supérieure à la vitesse c/n de la lumière dans le milieu (réfractaire) traversé - dépend du paramètre b = v/c Utilisation standard : identification - Impulsion mesurée dans le spectromètre - lumière émise fonction de b (c-à-d masse) Utilisation détecteur ANTARES : détection - muons de très grande énergie-impulsion - provenant de la ‘conversion’ par interaction d’un neutrino cosmique de très grande énergie Détection

Détecteur ANTARES au large de Toulon Détecteur en construction : 25 étages par ligne 3 photo-multiplicateurs par étage 12 lignes Surface de 0.1 km site à 25 km de la côte Détection

FIN Détection

Détection