Introduction à la Physique des Particules Expérimentale Eric Kajfasz (CPPM - 119) kajfasz@cppm.in2p3.fr 04-91-82-76-63 http://marwww.in2p3.fr/~kajfasz/master2/cours.html Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Master Plan Introduction (1) Préparation de l’état initial (1) Accélérateurs + faisceaux + biomédical Mesure de l’ état final (2) Intéractions avec la matière Détecteurs Triggers Informatique: online: DAQ + trigger offline: simulation, traitement et analyse Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Introduction ... plan qu’est-ce que la physique des particules découvertes et bilan actuel comment s’y prend-on? préparation d’un état initial connu collisions détection et mesure de l’état final collisions: leptoniques hadroniques détecteurs et physique complexes => nécessite d’outils de simulation: générateurs simulateurs Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Qu’est-ce que la p.d.p.? ESSAYER de découvrir les constituents fondamentaux de ce qui compose notre Univers ESSAYER d’appréhender et de formaliser les lois qui régissent les interactions de ces constituents deux approches complémentaires: Théorique qui fournit des modèles expliquant les données connues des généralisations pour tenter d’unifier des phénomènes apparamment sans rapport (e.g. E et B) Experimentale: vérifie les predictions des modèles théoriques fournit de nouvelles données pour affiner les modèles ou en élaborer de nouveaux tente de mettre en défaut les modèles disponibles deux terrains d’étude: étudier les particules qui nous entourent: rayons cosmiques, neutrinos solaires ou de supernovae, ... => expériences hors accélérateurs produire des particules et les étudier en laboratoire: => expériences auprès d’accélérateurs Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules et interactions Table périodique de Mendeleiev (19e siècle) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules ... 1897: J.J. Thomson découvre la première particule élémentaire: l’électron 1913: E. Rutherford découvre le noyau des atomes. La matière est essentiellement faite de rien! 1932: J. Chadwick découvre le neutron La matiere ordinaire est faite de p(+), n et e(-) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules ... 1928: P.A.M. Dirac prédit l’existence de l’antimatière (interprétation des solutions d’énergie négative ...) 1932: C.D. Andersen découvre le positron positron de 23 MeV plaque de 6mm de plomb positron entrant de 63 MeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules ... 1930: W. Pauli prédit l’existence du neutrino 1953: F. Reines découvre le neutrino Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules ... 1947: I.I. Rabi: “Who ordered that?” toute une zoologie de particules “élémentaires”... Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules ... Le modèle des quarks remet de l’ordre dans le chaos: cristal molecule atome noyau proton quark electron Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Particules elementaires de matière du MS Ce sont des fermions (spin ½): charge électrique masse (GeV) quarks leptons famille/ saveur Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Forces fondamentales médiation par échange de bosons (spin 1, spin 2 pour G): portée de la force ~ 1/(masse particule échangée) électromagnétique forte faible gravitation Yukawa Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Masse des particules elementaires Dans le modele standard c’est le boson de Higgs, H0, une particule scalaire (spin 0) qui en serait responsable C’est la particule la plus activement recherchee! Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Force électromagnétique s’inscrit dans le cadre de l’ElectroDynamique Quantique (QED), qui est une théorie de jauge basée sur un groupe U(1), abelien => le photon n’interagit pas avec lui-même. Il a une charge électrique nulle. aem = e2/(4p) ≈ 1/137 √aem Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Evolution du couplage en QED calcul à tous les ordres en QED de la classe de diagrammes: √(Q2) Dx ≥ ћ aem(0)=1/137.03599911(46) (mesure dans l’effet Hall quantique) Dx/ (i.e. Q2\) aem(Q2) \ écrantage de la charge électrique donne une évolution du couplage fct de l’impulsion de transfert √(Q2) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Force forte s’inscrit dans le cadre de la ChromoDynamique Quantique (QCD) quarks existent en 3 couleurs interagissent fortement par l’intermédiaire de gluons QCD: théorie de jauge basée sur le groupe SU(3)C non-abélien => les gluons vont pouvoir s’auto-coupler MAIS on n’observe pas de particules libres colorées Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Evolution du couplage en QCD calcul à tous les ordres en QCD de la classe de diagrammes pourvu que aS = gc2/(4p) << 1 anti- ecrantage ecrantage valide pour aS = gc2/(4p) << 1 nq = nbre de saveurs de quarks 11 - ⅔ nq > 0 pour nq ≤ 6 Dx\ (i.e. Q2 /) aS(Q2) \ liberté asymptotique Dx/ (i.e. Q2\) aS(Q2) / anti-écrantage de couleur suggère confinement on n’observe pas de particules libres colorées! formation de JETS Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Evolution du couplage en QCD Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

QCD: les quarks e+e- -> m+m- e+e- -> 2jets distribution angulaire en caractéristique de particules de spin 1/2 quarks hadronisation Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

QCD: les gluons les gluons ont été “découverts” dans les années 70 à Petra à DESY dans des processus radiatifs e+e- -> q q g _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

QCD: evts à 3 jets Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

QCD: Infra-Red Safety colinear and soft singularities diverge pour: x1 ou x2 = 1 (gluon colinéaire) ou x3 = 0 (gluon mou) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

QCD: Infra-Red Safety colinear and soft singularities sections efficaces physiques sont finies => singularités dans le calcul 2->3 sont artificielles région d’espace de phase correspondant aux singularités apparait quand le quark virtuel d’impulsion k est presque sur sa couche de masse => la cinématique du processus 2->3 devient indistingable de celle d’un processus 2->2 l’interaction se produit à longue distance par rapport au vertex d’interaction e+e- -> qq => les observables physiques ne sont pas sensibles aux interactions à longue distance et à l’origine indistingable 2->2 vs 2->3 de l’interaction Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Importance des échelles Renormalisation - Factorisation Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Force électro-faible 1967: S. Glashow, S. Weinberg et A. Salam proposent d’unifier la description de la force électromagnetique et de la force faible sous un même formalisme. prédisent les interactions faibles de courant neutre 1973: découverte dans la chambre à bulles Gargamelle N hadrons Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Force électro-faible la “faiblesse” des interactions faibles est due à l’echange de messagers massifs 1981: C. Rubbia découverte des bosons W et Z dans des collisions pp à 630 GeV au CERN _ qq -> Z –> e+e- ≈ 80 GeV MZ = MW/cos(qW) ≈ 91 GeV _ pT > 2 GeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Le Modèle Standard description précise de tous les phénomènes sub-atomiques connus basé sur un principe de symetrie de jauge avec un groupe SU(3)xSU(2)xU(1) bien testé sur les données: secteur U(1) a 10-8 secteur SU(2) a 10-3 secteur SU(3) a 10-1 jusqu’à des échelles de distances de 10-18 m correspondant à 10-10 s après le Big Bang + 1 particule scalaire: H0, le boson de Higgs Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Le Modèle Standard Interactions MS décrit tous les phénomènes en Electro-magnétique Faible Forte Couplages entre 2 quarks u : Forte  1 EM  10–2 Faible  10–6 Gravitation  10–43 MS décrit tous les phénomènes en utilisant 21(24) particules de matière, 4 forces et 19(28) paramètres Le MS n’inclut pas la gravité Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Le Modèle Standard Cependant beaucoup de questions fondamentales pour lequelles le modèle n’a pas de réponse: pourquoi/comment les masses sont ce qu’elles sont? pourquoi /comment les neutrinos ont une masse? pourquoi /comment brisure de symetrie/unification? pourquoi /comment l’Univers est dominé par la matière? pourquoi /comment des interactions de jauge? pourquoi /comment SU(3)xSU(2)xU(1)? pourquoi /comment 3 générations? pourquoi /comment 4 dimensions? et la gravité dans tout ca? Ce sont à ces questions (et à d’autres) que les théoriciens et les expérimentateurs essaient de s’attaquer => Accélérateurs, Détecteurs et Physiciens/Ingénieurs/Techniciens 10 eV 100 eV 1 keV 10 keV 100 keV 1 MeV 10 MeV 100 MeV 1 GeV 10 GeV 100 GeV 1 TeV 10 TeV … t, Z, W, EW SB , , B , n, p, ,  ,  nuclear binding E e atomic binding E Hierarchy problem: new physics ? GUT ? Planck Scale (MPl) R ? 100 TeV 1014 GeV 1016 GeV 1019 GeV LHC reach Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Où faire de la ph.d.p. en France? Dans les laboratoires de l’IN2P3 (www.in2p3.fr) Au DSM/Irfu Saclay (irfu.cea.fr) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Où faire de la ph.d.p. dans le monde? Quelques grands centres autour du globe possédant des accélérateurs pour la physique des hautes énergies ... DESY CERN KEK FNAL SLAC BNL IHEP Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

En quoi consiste une expérience de ph.d.p.? Schéma général d’une expérience: phénoménologie de la physique que l’on veut étudier (discussions, calculs, simulations, workshops, ...) conception (simulations et R&D) de l’accélerateur et de(s) détecteur(s) construction installation, tests et mise en route prise de données: détection (particules chargées et neutres) déclenchement (trigger) acquisition des données (digitisation et lecture par electronique rapide et processeurs) sélection en ligne et mise sur support magnétique analyse des données: traitement des données analyse proprement dite => Résultat de physique: conférences publication dans revues et pourqoui pas ... prix Nobel? Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

En quoi consiste une expérience de ph.d.p.? accélérateur à très haute énergie: pour sonder la matière de plus en plus finement, de Broglie: l = hc/E pour produire des particules de plus en plus lourdes: E = mc2 collision interaction et états intermédiaires état initial: particules suffisamment stables et de caractéristiques bien définies état final: particules suffisamment stables pour avoir atteint le détecteur: e,g, m, p,K,p,..., jets détecteurs test modèle analyse mesures Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie La phénoménologie tente, pour un modèle de physique donné, de répondre aux questions suivantes: quelles sont les signatures de découverte de cette physique? quelles sont les performances en terme de découverte de l’expérience X ou Y? comment peut-on distinguer ce modèle des autres présents sur le marché? on définit le cadre théorique dans lequel on va travailler: les nouvelles particules et leurs nombres quantiques (spin, charge, couleur, ...) leurs interactions à l’échelle d’énergie correspondant à l’accélérateur que l’on va utiliser, c’est à dire les paramètres du Lagrangien decrivant le modèle à cette échelle d’énergie identification des régions intéressantes de l’espace des paramètres du Lagrangien, des règles de Feynman peuvent être déduites permettant de calculer par exemple le spectre de masse des particules, leur durée de vie, leur section efficace de production ... Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... calcul des sections efficaces de production s: section efficace: s liée à la probabilité de voir un phénomène donne par rapport à l’ensemble des phénomènes possibles a la dimension d’une surface. On l’exprime en sous-unités du barn: 1 b = 10-28 m2 interactions fortes ~ mb, électromagnetiques ~ nb, faibles ~ pb Luminosité: L la luminosité intégrée Lint est un paramètre lié à la machine utilisée pour préparer l’état initial de la réaction. Ce paramètre détermine, pour un processus physique donné, le nombre N d’événements observés dans un detecteur N = Lint e s e est l’efficacité de detection du processus donné Lint est exprimée en unites d’inverse de section efficace: pb-1, nb-1, ... L, luminosité instantanée: exprimée en cm-2.s-1 les accélérateurs actuels on typiquement L ~ 1030 - 1034 cm-2.s-1 Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... rapports d’embranchement B: par exemple le Z se désintègre: 70% en qq c’est à dire B(Z->qq) = 0.7 20% en nn 3.33% en e+e- 3.33% en m+m- 3.33% en t+t- chacune de ces désintegrations va conduire à une signature caractéristique du Z. On ne sait pas à priori quelle est la meilleure avant de considérer les bruits de fond appropriés Pour obtenir le nombre total d’événements pour une signature particulière, il faut multiplier la section efficace totale par le rapport d’embranchement _ _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... rapports d’embranchement B: par exemple pour ff -> Zh dans la signature: Nsignal = stot Lint B(Z->l+l-) B(h->bb) si Nsignal trop petit => chercher une autre signature ... Acceptance du détecteur ea ≡ Nreconstruits/Nsignal calculée à l’aide d’une simulation ... soit: Nsignal = stot Lint B(Z->l+l-) B(h->bb) ea avec ea est typiquement de 0.1 a 0.5 _ _ _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... Coupures d’analyse: les choses ne sont pas aussi simples, car on va aussi par exemple observer dans le détecteur le processus: qui est un bruit de fond pour notre signal discrimination entre signal et bruit de fond: on met alors en place une série de coupures cinématiques qui permettent de discriminer la contribution du signal et du fond (ou du moins, on l’espère). Ici, par exemple, Mbb ~ Mh dans le cas du signal. Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... Coupures (suite): _ différentes techniques: B x1 x2 S B x1 x2 La phénoménologie ... Coupures (suite): différentes techniques: soit ec l’efficacité des coupures sur le signal, le nombre NS d’événement de signal qui passera les coupures est donné par: NS = stot Lint B(Z->l+l-) B(h->bb) ea ec Coupures simples y Techniques de réseaux de neurones, d’arbres de décision,… => variable discriminante y telle que y(B) -> 0 et y(S) -> 1 _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... bruits de fond: on fixe les coupures optimales après avoir simulé tous les bruits de fond appropriés aussi bien au niveau de la géneration que de la simulation dans le détecteur une fois les coupures selectionnées, le nombre total NB d’événements de bruit de fond est donné par: NB = ∑i sBi L Bi eai eci ou les Bi représentent les rapports d’embranchement appropriés Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

La phénoménologie ... sensibilité d’une expérience: significance S: définie comme le rapport S = NS/√NB une grande significance n’est pas necessairement suffisante. Il faut aussi avoir assez de satistique. On demande NS > 5 paramètres jouant sur S: la luminosité integrée Lint (qui depend de l’accélérateur) les paramètres de la physique recherchée (par l’intermédiaire de NS) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Accélérateurs ... survol Deux types d’utilisation: (M,0) (E,p),m sur cible fixe énergie disponible au centre de masse: ECM = s1/2 = √ (2EM+m2+M2) ~ √ (2EM) (E>>M,m) énergie disponible pour la création de particules varie ~ E1/2 reste de l’énergie initiale transformée en énergie cinétique des particules secondaires (=> e.g. utilisation pour faisceaux secondaires) détecteurs vers l’avant (E,p),m (M,0) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Accélérateurs ... survol Deux types d’utilisation: (E1,p1),m1 collisionneur s = 2E1E2+2|p1||p2|+m12+m22 ~ 4E1E2 si E1,E2 >> m1,m2 si E1 = E2 = E alors s1/2 = 2E toute l’énergie initiale est disponible pour créer de nouvelles particules système du laboratoire = système du centre de masse particules émises tout autour du point d’interaction (E1,p1),m1 (E2,p2),m2 Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

SLC @SLAC ≤ 2000: SLC, @SLAC, Stanford, USA linéaire, e+e- , 3.2 Km de long, ECM = 100 GeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

SLC @SLAC ≤ 2000: SLC, @SLAC, Stanford, USA linéaire, e+e- , 3.2 Km de long, ECM = 100 GeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

LEP @CERN ≤ 2000: LEP, @CERN Genève circulaire, e+e- , 27 Km de long, ECM < 206 GeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

HERA @DESY ≥ 2000: Hera run II, 6.3 Km de long, @Desy Hambourg circulaire, e+/e- de 27 GeV, p de 920 GeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

TeVatron @Fermilab Main Injector & Recycler Tevatron Chicago  p source Booster p p 1.96 TeV CDF DØ ≥ 2000: Tevatron run II, @Fermilab Chicago circulaire, pp, 6.3 Km de long, ECM = 1960 GeV _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

LHC @CERN ≥ 2009: LHC, @CERN Genève circulaire, pp, 27 Km de long, ECM = 14 TeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

ILC @quelque part sur terre ... SLC ILC ≥ 202x?: linéaire, e+e-, ECM = 0.5 – 1.5 TeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Accélérateurs ... survol saturation des courbes à cause du coût par GeV => besoin de concepts nouveaux Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

toute l’énergie disponible Collisionneurs e+e- circulaires de rayon R: limités par la radiation synchrotron: DE  E4/(m4R) par tour (p.e. environ 4 GeV à LEP200) pas ce problème pour les collisionneurs hadroniques car (me/mp)4 ~ 10-13 collisionneurs e+e- de très haute énergie doivent être linéaires!  E2  E toute l’énergie disponible est utilisée dans le processus Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisionneurs ep le faisceau d’électrons sonde la structure du proton: diffusion profondement inélastique (Deep Inelastic Scattering = DIS): ep -> eX relation entre la section efficace de DIS et la section efficace du sous-processus partonique eq qh(x)dx: est la probabilité 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 Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

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 = x1x2s au LHC, s½ = 14 TeV et ŝ½ pourra aller jusqu’à qques TeV Une fraction importante de l’énergie peut être emportée par les restes des protons _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Comparaisons de collisionneurs leptoniques (LEP, SLC, ILC, ...): environnement experimental “propre” toute l’énergie est utilisée dans le processus => cette contrainte est utilisée dans l’analyse des donnees état initial bien defini, polarisation des faisceau possible, energie au centre de masse réglable bon rapport signal sur bruit pratiquement tous les événements peuvent être enregistrés => physique de précision espace de découverte limité par l’énergie au centre de masse disponible Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Comparaisons de collisionneurs ... hadroniques (TeVatron, LHC, ...): plus facile d’obtenir de très hautes énergies au point de vue cinématique, on ne peut en général qu’utiliser la conservation de l’impulsion transverse la nature composite des protons donne lieu à un événement sous-jacent (“underlying event”) particules dans l’état initial sont sensibles à l’interaction forte: énormes bruits de fond QCD rapport signal/bruit en general plus mauvais seulement une petite fraction des événements peut être enregistrée => nécessaire de développer des mécanismes de déclenchement en ligne (triggers) très sélectifs. Au LHC, il faudra un facteur de réjection de l’ordre de 107 => en général espace de découverte moins limité mais environnement expérimental plus difficile Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisionneurs hadroniques Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Comparaisons de collisionneurs ... ordres de grandeur des principaux processus au LHC Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Comparaisons de collisionneurs ... simulation d’un événement gg->H->ZZ->m+m-m+m- Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Pile-up a LHC Pile-up  additional -mostly soft- interactions per bunch crossing Startup luminosity 21033cm-2s-1  4 events per bunch crossing High luminosity 1034cm-2s-1  20 events per bunch crossing Luminosity upgrade 1035cm-2s-1  200 events per bunch crossing SUSY event (no pileup) SUSY event (1034cm-2s-1) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Comparaisons de collisionneurs ... événement e+e-->Z->m+m- à LEP Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... cinématique Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... cinématique Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... cinématique rapidité: y f point d’inter- action pseudo-rapidité: h transverse ≡ perpendiculaire à l’axe des faisceaux (m->0 ou b->1) énergie/impulsion transverse cône DR DR = √((Df)2 + (Dh)2) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... cinématique Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... événement sous-jacent = underlying event hadrons approchent hadronisation désintegration gerbe de partons interaction dure a = 1, b = 2 Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... section efficace fi = Fonctions de Distributions de Partons (Parton Distribution Function = PDF) sX = (PDF’s pour p et p)  (section efficace partonique) factorisation des effets à courte et longue distances différentes échelles interviennent ici: Q: caractérise l’interaction dure parton-parton mF: échelle de factorisation qui entre dans l’evolution des PDF’s. paramètre arbitraire qui peut être interprété comme l’échelle séparant la physique à courte et longue distance mR: échelle de renormalisation qui intervient dans la constante de couplage fort typiquement on peut prendre: mF = mR = Q ~ ET/4 – 2ET des jets _ Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... PDF’s Les Fonctions de Distributions de Partons du proton son mesurées à une echelle donnée. Leur evolution est alors calculée en QCD perturbative à l’échelle de l’interaction appropriée. Les PDF’s sont determinées en faisant des ajustements globaux sur les données de DIS, de Drell-Yan, de production de photon directs et de production de jets Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Collisions hadroniques ... jets les partons colorés provenant de l’interaction dure évoluent par le processus d’hadronisation en une gerbe de hadrons pointant à peu pres dans la même direction => jets les hadrons dans un jet ont une faible impulsion transverse relativement à 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 aggrégats (clusters) localisés d’énergie déposée dans les calorimètres les jets sont la signature expérimentale des quarks et gluons Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

... jets ... Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

... jets ... Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

... jets ... Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

... jets ... Jet energy corrected to the particle level defined as: - Offset (O): energy not associated with the hard-scatter (multiple interactions, pileup, noise) - Response (Rjet): 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 Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol Grandeurs à mesurer: Origine: détecteur de vertex: x0,y0,z0 Trajectoires: trajectomètre: xi,yi,zi (i=1,N) Impulsions: champ magnétique + trajectographe: pi (i=1,N) Energie: calorimètre: Eelectromagnetique, Ehadronique Vitesse: dE/dx, effet Cerenkov, temps de vol => identification aimant calorimètres trajecto- mètre cible et dét. vertex Crkv EM HAD muons Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol Informations laissées dans les détecteurs par les particules produites dans les collisions: e±: chargé => laisse une trace dans le trajectomètre et dépose de l’énergie dans le calorimètre m±: laisse une trace dans le trajectomètre et dépose très peu d’énergie (minimum d’ionisation) dans le calorimètre, donne un signal dans les chambres à muons g: dépot d’énergie dans le calorimètre comme le e±, mais pas de trace associée dans le trajectomètre neutrinos et autres particules interagissant faiblement: n’interagissent pas à l’interieur du détecteur => impulsion manquante ou énergie manquante quarks: hadronisation => jets. Direction des jets énergetiques est liée à la direction du parton initiateur du jet. Energie mesurée dans les calorimètres. Traces dans le trajectomètre provenant des particules chargées faisant partie du jet quarks lourds (b): reconstruction dans le détecteur de vertex d’un vertex de désintegration déplacé par rapport au vertex primaire. t ~ 1.5ps => bcgt ~ qques mm pour ET ~ 10-100 GeV Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol vertex secondaire où le hadron beau où l’interaction a eu lieu où le hadron beau s’est désintegré Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol le détecteur ATLAS Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Tout cela est bien complexe ... => nécessité d’outils de simulation aussi bien au niveau processus physiques qu’au niveau detecteur Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Simulation ... générateurs pourquoi utiliser des générateurs? permet d’effectuer des études théoriques et expérimentales de physique multiparticule complexe véhicule pour disséminer des idées entre théoriciens et expérimentateurs ils sont utilisés pour: prédire des taux et topologies d’événements => permet d’estimer la faisabilité simuler les bruits de fond possibles => permet d’optimiser les stratégies d’analyse étudier les caractéristiques requises des détecteurs => permet d’optimiser la conception des détecteurs/triggers étudier les imperfections des détecteurs => permet d’évaluer les corrections d’acceptance Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Générateurs ... où ils entrent en jeu Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Générateurs ... processus de base Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Générateurs ... processus de base Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Générateurs ... hadronisation modèle des cordes de Lund gluon = kink sur corde emportant énergie et impulsion Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Générateurs ... le paysage Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Generateur ... les sous-processus Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Générateurs ... The Big Picture Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Simulation ... détecteurs ... un example Geant4: logiciel qui exploite des techniques avancées de développement logiciel et de technologie orientée objet Il permet de simuler avec précision le passage de particules au travers la matière. Il inclut: description de la géometrie du syteme description des matériaux utilisés génération des événements primaires suivi des particules au travers des matériaux et des champs électromagnétiques les processus physiques gouvernant les interactions des particules la reponse des composantes sensibles des détecteurs la génération des données des événements le stockage des événements et des traces la visualisation des détecteurs et des trajectoires des particules Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Simulation ... détecteurs ... un example Geant4: Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Simulation ... détecteurs ... un example Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs … reconstruction … survol jet Déclencher sur un événement Reconstruire les traces dans le détecteur interne Reconstruire les traces dans le système à muons Reconstruire les clusters électromagnetiques Reconstruire les clusters hadroniques et les jets Reconstruire l’énergie transverse manquante Identifier les particles et les objets: muons, electrons, photons, taus, jets Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol Tranche d’ATLAS Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol Tranche de CMS (LHC) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol m- m+ e- e+ Z Z H jet Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs ... survol Paires de particules supersymétriques se désintegrant selon: 6 jets 2 muons avec des charges opposées grande énergie transverse manquante Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Détecteurs… traitement des données ... survol Chaque expérience LHC produira 10 000 TB de données par an L’analyse de données nécessite 100 000 des processeurs les plus rapides La collaboration ATLAS est internationale  besoin d’un computing distribué Transferts de données du CERN à 10 Gbits/s vers 11 centres de calculs mondiaux Ces centres envoient et recoivent des données à 200 centres plus petits … Au CPPM (Tier 3) avec 360 processeurs et 70TB de disque Grille de Calcul Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Le programme “2009” du LHC … survol 3000 300 30 SUSY at 4 TeV ADD X-dim at 9 TeV Compositeness at 40 TeV Higgs at 120 GeV Z’ at 6 TeV F. Moortgat, A. De Roeck 1000 fb–1/yr 200 fb–1/yr SLHC Higgs at 200 GeV 100 fb–1/yr 10–20 fb–1/yr UPGRADE SUSY at 1 TeV LHC startup Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz

Plus de détails dans les prochains cours … Je vous donnerai quatre autres cours: ***** Ve 07/01 10h-12h (accélérateurs) ***** Lu 10/01 10h-12h (interaction rayonnement-matière) ***** Ma 18/01 10h-12h (détecteurs) ***** Je 20/01 14h-16h (détecteurs) Master2 Jan 2011 - Cours 1 E. Kajfasz