Tout ce qu’il faut savoir pour l’exercice LHCb Masterclass (ou presque…) Marc Grabalosa, LPC LHCb.

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1 Tout ce qu’il faut savoir pour l’exercice LHCb Masterclass (ou presque…) Marc Grabalosa, LPC LHCb

2 2 Introduction Intérêt de la mesure Le détecteur LHCb Les quantités intéressantes (observables) Les données Les exercices

3 3 On fait quoi cet aprem? Des particules sont stables et des autres meurent Selon les lois de la physique des particules élémentaires Le but de l’exercice est de mesurer le temps de vie d’une particule (Définition a venir)

4 4 Les Mésons D D 0 méson Charm quark Up antiquark

5 5 Particules Elémentaires (les vraies) Petit nombre de particules élémentaires

6 6 Leur “taille”

7 7 Les quarks forment quoi? Méson quark antiquark Baryon quark Deux types de combinaisons : quark-antiquark, ou trois (anti)quarks. Anti-particules ont charges opposées a celles des particules correspondants, mais interagissent la meme façon (ou presque…). La major partie des particules ont un antiparticule associée (mais parfois a particule est sa propre antiparticule…).

8 8 Comment elles s’unissent Quarks se mettent ensemble pour former un très grand nombre de particules !

9 9 Notre bible… Les frères ont leur bible...

10 10 Combien types de particules existent? Les frères ont leur bible...Nous le Particle Listing !

11 11 C’est quoi le temps de vie d’une particule? Demi-vie (médiane) et durée de vie moyenne (espérance = temps de vie) d'une population ayant une décroissance exponentielle.

12 12 Echelle lineaire Echelle logarithmique

13 13 ?? L’univers en seconds…

14 14 Une gamme très grande de temps de vie : vous allez mesurer un temps de vie très court... Des exemples de temps de vie

15 15 Comment mesurons-nous un temps de vie court? Par exemple considérons une particule qui vit 10 -12 seconds

16 16 Comment mesurons-nous un temps de vie court? Par exemple considérons une particule qui vit 10 -12 seconds En moyenne elle va parcourir combien de trajet si elle voyage a la vitesse de la lumière? c = 3*10 8 m/s Elle parcourra 3*10 -4 mètres, donc 0.3 mm

17 17 Comment mesurons-nous un temps de vie court? Par exemple considérons une particule qui vit 10 -12 seconds En moyenne elle va parcourir combien de trajet si elle voyage a la vitesse de la lumière? c = 3*10 8 m/s Elle parcourra 3*10 -4 mètres, donc 0.3 mm Ce n’est pas beaucoup. Heureusement le calcul est incorrect ! On a oublie la relativité restreinte, qui nous dit que la particules vit d’avantage a cause de la dilatation du temps t’ = t/√(1-v 2 /c 2 )

18 18 Comment mesurons-nous un temps de vie court? Par exemple considérons une particule qui vit 10 -12 seconds En moyenne elle va parcourir combien de trajet si elle voyage a la vitesse de la lumière? c = 3*10 8 m/s Elle parcourra 3*10 -4 mètres, donc 0.3 mm Ce n’est pas beaucoup. Heureusement le calcul est incorrect ! On a oublie la relativité restreinte, qui nous dit que la particules vit d’avantage a cause de la dilatation du temps t’ = t/√(1-v 2 /c 2 ) Normalement une particules au LHC avec un temps de vie de 10 -12 seconds parcourira1 cm... Qui est énorme pour nous et donc assez pour pouvoir la mesurer !

19 19 Notre méson D 0 méson Charm quark Up antiquark

20 20 Notre méson anti-D 0 méson Charm antiquark Up quark

21 21 Pourquoi on s’intéresse a l’antimatière ? 21

22 22 Autant matière et antimatière créés dans le big bang Pourquoi on s’intéresse a l’antimatière ?

23 23 Autant matière et antimatière créés dans le big bang Aujourd’hui: presque pas d’antimatière dans l’univers Pourquoi on s’intéresse a l’antimatière ?

24 24 Autant matière et antimatière créés dans le big bang Aujourd’hui: presque pas d’antimatière dans l’univers OU est-elle finie, l’antimatière? Pourquoi on s’intéresse a l’antimatière ?

25 25 Pourquoi le D0 est si spécial ? D 0 méson Charm quark Up antiquark

26 26 Il oscille ! anti-D 0 méson Charm antiquark Up quark Le D 0 est une particules neutre : elle peut osciller (se transformer) entre matière et antimatière avant de se désintégrer.

27 27 Il oscille ! Le D 0 est une particule : elle peut osciller entre matière et antimatière avant de se désintégrer ! Ces particules peuvent nous donner des indications sur les petites différences entre matière et antimatière ! D 0 méson Charm quark Up antiquark

28 28 Pourquoi le D 0 et pas une autre particule? Les mésons neutres peuvent osciller entre matière et antimatière pendant leur vie Un autre exemple est le méson B d : la mesure des oscillations du B d

29 29 Pourquoi le D 0 et pas une autre particule? Les mésons neutres peuvent osciller entre matière et antimatière pendant leur vie Un autre exemple est le méson B d : la mesure des oscillations du B d a été une indication de l’existence du quark top (et donne une estimation de sa masse)

30 30 Pourquoi le D 0 et pas une autre particule? Les oscillations sont intéressantes parce qu’elles sont sensibles a la présence de particules qui apparaissent virtuellement dans le diagramme a boite, qui peuvent être beaucoup plus lourdes des particules produite directement et que on peut ‘’voir’’

31 31 Pourquoi le D 0 et pas une autre particule? Les mésons neutres peuvent osciller entre matière et antimatière pendant leur vie Il existent plusieurs mésons de type “down” qui oscillent : (ds) K 0, (db) B d, (sb) B s Mais que un de type “up” : le méson (cu) D 0, parce que le quark top est trop lourd (et il se désintègre trop rapidement) pour former mésons ou baryons Donc le D 0 est un laboratoire unique pour étudier la symétrie matière-antimatière

32 32 Autres explications pour l’asymétrie matiere- antimatière matiere antimatiere B0d B0s Reconstruction du méson B0 -> K+ pi- Chaque particule a sa mass (invariant mass) B0d et Anti-B0d: 5279.58 +- 0.17 MeV B0s et Anti-B0s: 5366.77 +- 0.24 MeV On trouve plus événements de matière que d ’antimatière avec les mêmes conditions

33 33 Mass invariant Dans la relativité restreinte(special relativity - E=mc 2 ), utilisant conservation de l’énergie et de l’impulsion on trouve la masse invariante (invariant relativiste) Dans une version plus complète de formule Einstein: Dans la désintégration d’une particule, la masse invariante de ses filles s’utilise pour mesurer la masse de la particule initial. On va calculer la masse invariante de notre D0. Pour notre D0, si on cherche D0 -> K+ pi-, alors:

34 34 Large hadron collider @ CERN

35 35 Large hadron collider @ CERN

36 36 Large hadron collider @ CERN

37 37 Large hadron collider @ CERN

38 38 Large hadron collider @ CERN

39 39 LHCb et CMS comparés Faisceaux Transverse

40 40 Protons qui collisionnent... Proton up downup Proton up downup

41 41 Protons qui collisionnent...

42 42 Protons qui collisionnent...

43 43 Production du charme @ LHC 10% des interactions au LHC produisent un hadron charme : LHCb a déjà collectionné plus d’1 billion de désintégrations de particules charmées !

44 44 LHCb @ LHC Faisceaux Transverse p T = Impulsion (m*v) Transverse E T = Energie Transverse

45 45 LHCb VELO :Vertex-Locator Avec le VELO on peut trouver les vertex primaires et secondaires

46 46 Trajectographe: Impulsion Le trajectographe reconstruit la trajectoire des particules chargées Il est plongé dans un champ magnétique qui courbe les trajectoires Grandeurs mesurées : charge, impulsion

47 47 Permet distinguer entre K, pi, p L'effet Tcherenkov est un phénomène similaire à une onde de choc, produisant un flash de lumière lorsqu'une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu (la vitesse de la lumière dans le vide étant toujours supérieure à celle de la particule) RICH: Effet Tcherenkov

48 48 LHCb @ LHC Transverse ➡ ELECTRONS ➡ PHOTONS p T = Impulsion (m*v) Transverse E T = Energie Transverse Faisceaux

49 49 LHCb @ LHC Transverse ➡ ELECTRONS ➡ PHOTONS ➡ HADRONS p T = Impulsion (m*v) Transverse E T = Energie Transverse Faisceaux

50 50 LHCb @ LHC Transverse ➡ ELECTRONS ➡ PHOTONS ➡ HADRONS ➡ MUONS p T = Impulsion (m*v) Transverse E T = Energie Transverse Faisceaux

51 51 σ eff t = 4.5 10 -14 s LHCb : performance σ eff t = 4.5 10 -14 s On peut mesurer temps de vie si courts jusqu’a quelque ~10 -14 seconds... PRIX !!!

52 Y a pas que du signal … On produit beaucoup de D0, mais a) on peut pas reconstruire toutes leurs désintégrations - pour la mesure que vous allez faire, vous reconstruirez que les D0 qui se désintègrent dans un pion et un kaon b) on a beaucoup d’autres particules qui sont produites et qui n’ont rien à voir avec le signal que vous voulez. - parfois votre signal est un bruit de fond pour d’autres chercheurs ;) c) les D0 sont moins lourds que d’autres particules qui sont produites aussi (par exemple le B) et donc ces B peuvent se désintégrer dans le D (et d’autre particules) - pas grave, mais le problème est que les B ont un temps de vie aussi ! Et même plus long que les D !!!

53 Y a pas que du signal …

54 54 Quelle est la sensitivité de ma mesure? Ce n’est pas une règle absolue, mais… Si tu n’as que des événements de signal, alors tu peux mesurer les propriétés liées à la production du signal et ces caractéristiques (ca inclue le temps de vie) avec une précision relative de (100/√N)% 100 Evénements -> 10.0% de précision 10000 Evénements -> 1.00% de précision 1000000 Evénements -> 0.10% de précision 100000000 Evénements -> 0.01% de précision

55 55 Quelle est la sensitivite de ma mesure? Ce n’est pas une règle absolue, mais… Si tu n’as que des événements de signal, alors tu peux mesurer les propriétés liées a la production du signal et ces caractéristiques (ca inclue le temps de vie) avec une précision relative de (100/√N)% 100 Evénements -> 10.0% de précision 10000 Evénements -> 1.00% de précision 1000000 Evénements -> 0.10% de précision 100000000 Evénements -> 0.01% de précision LHCb est ici !

56 56 Quelle est la sensitivite de ma mesure? Ce n’est pas une règle absolue, mais… Si tu n’as que des événements de signal, alors tu peux mesurer les propriétés liées a la production du signal et ces caractéristiques (ca inclue le temps de vie) avec une précision relative de (100/√N)% 100 Evénements -> 10.0% de précision 10000 Evénements -> 1.00% de précision 1000000 Evénements -> 0.10% de précision 100000000 Evénements -> 0.01% de précision Précision mondiale est 0.35% Donc on peut pas vous donner toutes les données LHCb est ici !

57 57 Le but de l’exercice a) Vous montrer les données qui viennent du LHC b) Vous apprendre comment sélectionner des particules dans ces données c) Vous apprendre a ajuster des fonctions aux données pour mesurer une propriété importante du signal d) Vous apprendre comment estimer les incertitudes systématiques d’une mesure

58 58 L’exercice

59 59 Le but de l’exercice a) Vous montrer les données qui viennent du LHC b) Vous apprendre comment sélectionner des particules dans ces données c) Vous apprendre a ajuster des fonctions aux données pour mesurer une propriété importante du signal d) Vous apprendre comment estimer les incertitudes systématiques d’une mesure

60 60 Données pour l’exercice Utilise désintégrations D 0 →Kπ : distribution de la mass.

61 61 Données pour l’exercice Utilise désintégrations D 0 →Kπ : distribution de la mass. Bruit de fond PRIX !!!

62 62 Display Du moment que LHCb est un détecteur en avant il est difficile de faire des exercices visuels en regardant tout le détecteur, donc on fait un zoom autour de la zone d’interaction ou vous pouvez (??) trouver les vertex déplacés (secondaires)

63 63 Le framework d’analyse

64 64 Un événement facile

65 65 An événement moins facile

66 66 Un histogramme (de masse)

67 67 Comment ajuster le temps de vie Une fois fini de regarder et sélectionner les bons événements, on vous donne un échantillon plus grand de données pour la mesure du temps de vie du méson D0.

68 68 Instructions en ligne

69 69 Ajustement de la masse La première tache est d’ajuster des fonctions à la distribution du signal et du bruit de fond

70 70 Histogrammer des observables Vous utiliserez les résultats de l‘ajustement pour histogrammer les distributions de plusieurs observables pour le signal et le bruit de fond.

71 71 Histogrammer et ajuster le temps de vie Enfin vous ajusterez et donc mesurerez le temps de vie !!! Est-ce que vos résultats sont en accord avec la moyenne mondiale??? ??? Petit aide : 2 heures/age de l’univers = tau(D0)/1 second.

72 The END Never stop searching !!!