LPSC, 08 Décembre 2005 Catherine Adloff Le Collisionneur Linéaire International Passé Présent Futur.

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1 LPSC, 08 Décembre 2005 Catherine Adloff Le Collisionneur Linéaire International Passé Présent Futur

2 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Passé M. Tigner, Nuovo Cimento 37 (1965) 1228 “While the storage ring concept for providing clashing-beam experiments (1) is very elegant in concept it seems worth-while at the present juncture to investigate other methods which, while less elegant and superficially more complex may prove more tractable.” A Possible Apparatus for Electron-Clashing Experiments (*). M. Tigner Laboratory of Nuclear Studies. Cornell University - Ithaca, N.Y.

3 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Passé Ces dernières années : avancées remarquables vers la réalisation d’un collisionneur linéaire.  2001 : Les rapports de l’HEPAP (High Energy Physics Advisor Panel), l’  2001 : Les rapports de l’HEPAP (High Energy Physics Advisor Panel), l’ ECFA (European Committee for Future Accelerators) et l’ ACFA (Asian Committee for Future Accelerators) soulignent tous que le colisionneur linéaire sera le prochain projet mondial.  2001 : Linear Collider Physics Resource Book (HEPAP) physique auprès d’un collisionneur linéaire  Les enjeux sont vraisemblablement énormes http://www.slac.stanford.edu/grp/th/LCBook/

4 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Les enjeux d’un collisionneur linéaire  Le LHC (E CM = 14 TeV) va ouvrir un nouveau domaine en énergie  Un collisionneur linéaire électron positon : faisceaux = particules élémentaires  Accès à la totalité de l’énergie dans le CM  Cinématique de la collision bien définie  Les événements peuvent être généralement complètement reconstruits.  La compréhension de la physique des particules nécessite toujours de nouvelles mesures expérimentales pour avancer. ILC

5 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Les enjeux d’un collisionneur linéaire  Mesures de très haute précision  Model Standard : m top ~  100-200 MeV/c 2 m W  ~  5 MeV/c 2 GigaZ   sin 2  W eff / sin 2  W eff ~ 0.01 %  caractériser le secteur du Higgs (brisure de symétrie électrofaible) processus dominant Higgsstrahlung  comprendre la nouvelle physique pressentie à l’échelle du TeV.  Complémentarité entre le ILC et le LHC.

6 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Le secteur du Higss  mesure du spin La mesure de la dépendance en énergie au seuil de production donne accès au spin quelque soit le Higgs entrant en jeu  vérifier que le Higgs est bien un scalaire

7 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Le secteur du Higss  Mesure des rapports de branchement bb  g  bb / g  bb  2 % cc  g  cc / g  cc  22.5 %      g   / g    5 % WW *  g  ww / g Hww  2 % ZZ  g  / g HZZ  6 % gg  g  gg / g  gg  12.5 %  g  / g   10 %  vérifier que le couplage aux fermions et bosons de gauge ~ masse :

8 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Le secteur du Higss  Mesure des constantes d’autocouplage  vérifier que le Higgs génère sa propre masse ZHH : incertitude sur   Radiation double de Higgs : e + e -  ZHH Fusion double du Higgs : e + e -  HH

9 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 la nouvelle physique à l ’é chelle du TeV  Les mesures précises des couplages du Higgs pourront révéler des dimensions supplémentaires PRÉDICTIONS Ligne bleue : Modèle Standard Bande jaunes : Modèle avec dimensions supplémentaires (jusqu’à 30% en dessous du MS) Barres d’erreur : Incertitudes des mesures au LC

10 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 La nouvelle physique à l ’é chelle du TeV  Production directe de particules évoluant dans des dimensions supplémentaires Linear collider PRÉDICTIONS Ligne bleue : Modèle avec dimensions supplémentaires Barres d’erreur : Incertitudes des mesures au LC Étude de l’émission d’un graviton vers une dim supplémentaire en même temps qu’un photon ou jet émis dans les 4 dimensions standards

11 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 La nouvelle physique à l ’é chelle du TeV  Sensibilité au Z’ dans différents modèles - ( e + e -  f f ) (direct) ILC ILC includes GigaZ (Z-Z’ mixing) and 1 TeV LC (interference) [hep-ph/0303107]

12 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Passé  Ao û t 2004 : ITRP (International Technology Recommandation Panel) recommande la technologie froide pour une machine allant de 0.5 TEV à ~1TeV  Naissance du projet ILC (International Linear Collider)

13 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Le ILC  Le ILC doit garantir :  précision sur l’énergie dans le CM < 0.1%  scan entre 200 et 500 GeV  calibration à l’énergie du Z 0  Luminosité L = 2 10 34 cm -2 s -1  ∫Ldt = 500 (fb) -1 en 4 ans  polarisation des faisceaux (e- > 80%, e+ >50%)  2 régions d’interaction compatibles avec des collisions   la machine doit être modifiable pour atteindre le TeV avec ∫Ldt = 1 (ab) -1 en 4 ans

14 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Le ILC ~35 MV/m sur 2x20 km Train: f rep = Linac repetition rate [5 Hz] = fréquence de la pulse RF  T Train = longueur du train [868  s]  T RF = RF pulse length [1350  s] N bunch = Nombre de paquets par train = [2820] Paquet (bunch): T Bunch = temps entre 2 paquets  T Train / N bunch [308 ns] N RF = nombre de cycles RF entre 2 trains T Bunch / T RF [229]  Technologie froide : Cavités accélératrices supraconductrices comme celles développées dans le cadre du projet TESLA (DESY) RF Pulse T rep T Bunch f RF = fréquence RF [1.3 GHz] (fréquence du klystron)

15 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Passé  2005 : Report to the Elementary Particle Physics 2010 Committee (HEPAP)  2005 : GDE (Global Design Effort) mis en place pour faire le design de la machine et des détecteurs  un laboratoire pour le ILC  Les physiciens s’organisent en ‘design teams’ et groupes de R&D :  Plusieurs installations pour des R&D à travers le monde  Plusieurs concepts de détecteur http://www.science.doe.gov/hep/LHC-ILC-Subpanel-EPP2010.pdf

16 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Présent : Status à Snowmass 2005  2005 : Snowmass / Deuxième worshop sur l’accélérateur ILC  continuer les efforts sur la configuration de base  identifier les configurations alternatives  identifier les R&D encore nécessaires.

17 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Exemple : la région d’interaction (15 mrad)  25 mrad ( 7 mrad)  25 mrad 20 mrad  comme NLC La région d’interaction à 2 mrad représente le design le plus difficile 5 m béton Configuration de base : 2 IR (Interaction Régions)  2 détecteurs séparation longitudinale (séparation des paquets) Configurations alternatives : configuration de base mais pas de séparation longitudinale configuration de base mais angle de croisements de 15 et 7 mrad

18 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Présent : Status à Snowmass 2005  2005 : Snowmass / Détecteurs et physique  Trois concepts de détecteur établis  Des mesures de précision demandent des détecteurs performants : Reconstruire tous les canaux possibles Efficacité de reconstruction la plus élevée possible Systématiques les plus faibles Pas de dépendance avec le bruit de fond machine

19 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Concept de détecteurs GLD LDC R = 1.3m B = 5T BR 2 = 8.5Tm 2 détecteur de traces : peu de points de mesure haute résolution(Si) r min (VXD) = 1.4 cm calorimètre em: SiW R = 1.7m B = 4T BR 2 = 11.6Tm 2 détecteur de traces: beaucoup de points de mesure résolution moyenne (TPC) r min (VXD) = 1.5 cm calorimètre em: SiW R = 2.1m B = 3T BR 2 = 13.2Tm 2 détecteur de traces : beaucoup de points de mesure résolution moyenne (TPC) r min (VXD) = 1.7 cm calorimètre em: Scintillator-W

20 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 SiD  Détecteur de Vertex :  couches cylindriques courte + disques  taille des pixels 1/30 des pixels au LHC  plusieurs types de senseur considérés: CPCCD, ISIS MAPs Macro/micro CMOS CCDs  r min (VXD) = 1 à 1.4 cm r max (VXD) = 6 cm  0.2 % X0

21 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 SiD  Détecteur de trace  1/6 matière au LHC,  resolution O(10  m), 1/10 de la résolution au LHC  central : 5 cylindres  Phi Eighty-fold phi segmentation 10 cm z segmentation Longueur des cylindres augmente avec le rayon  bouchons  5 disques doubles  R et Phi  segmentation en R variable  rayon augmente avec z ~130 cm ~180 cm

22 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 SiD  ECAL  Tugstène Si  1-2K de canaux pour 1 ASIC

23 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 SiD  HCAL  Tugstène ou acier  Gas Electron Multiplier (GEM) DHCAL ou  Resistive Plate Chamber (RPC) DHCAL ou  Scintillator/SiPM Standard analogue Major challenge – pattern recognition of energy clusters for EFA Pad array Mylar sheet Aluminum foil 1.1mm Glass sheet Resistive paint (On-board amplifiers) 1.2mm gas gap -HV GND SiPM RPC

24 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Présent : Status à Snowmass 2005  Higgs  Super symétrie  Au-delà du Modèle Standard  Top / Chromodynamique quantique  Gérées par le GDE  La physique : études poussées et optimisation des détecteurs  Regroupement par thématiques  Connections LHC/ILC  Connections avec la cosmologie  Corrections radiatives

25 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Présent : Status à Snowmass 2005  relations simples avec les observables de base du détecteur  canaux qui devraient apporter une complémentarité ou extension de ce qui va être mesuré au LHC  Canaux privilégiés (Benchmarks), optimisation des détecteurs :

26 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 LHC Physics Futur : le planning du GDE 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Global Design EffortProject Baseline configuration Document Reference Design Report Technical Design Bids to Host; Site Selection; R&D Report Concept Report ILC R&D program International Mgmt Detector Outline Documents

27 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Futur proche :Detector Outline Documents  Doit être complet au printemps 2006 pour chaque concept de détecteur  Contenu  Description des concepts de détecteur  Estimation des performances pour les différents benchmarks établis à Snowmass 2005  Description des R&Ds et de leurs statuts  Estimation du coût BR 2 fixé Rayon externe (m) détecteur de trace coût (M$)

28 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Un exemple pour l’optimisation du détecteur  Mesure de la constance d’ autocouplage couplage trilinéaire du Higgs HHH  Champ de Higgs dans la jauge unitaire :  Potentiel d’auto-interaction du Higgs :  La masse du Higgs est liée directement à  Les couplages trilinéaire et quadrilinéaire :

29 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Un exemple pour l’optimisation du détecteur  Mesure de la constance d’ autocouplage couplage trilinéaire du Higgs.  vérification directe du mécanisme du Higgs  unique au ILC mais pertinent que si la précision sur HHH est inférieure à 10%  (e+e-  ZHH) (fb) en fonction de K faisceaux polarisés

30 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Un exemple pour l’optimisation du détecteur  Avant :  la faisabilité de ce canal a été démontrée à l’aide de FAST simulation  Aujourd’hui:  ce canal va servir à l’optimisation des détecteurs LDC  groupe de travail : LPC Clermont, Dapnia, LPNHE, LAPP

31 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Un exemple pour l’optimisation du détecteur  Les difficultés de ce canal  section efficace faible ~0.15 fb (M H =130GeV)  6 jets (masse du Higgs faible) 10 jets (masse du Higgs élevée :H  WW ou ZZ)  contenu en quark b important  Nécessité de reconstruire les jets avec un algorithme de flux de particules  Nécessité de séparer le charme. FAST simulation

32 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Jets  Identification, séparation et mesure de l’énergie des jets  Méthode Classique : Calorimétrie événement classique : énergie = 30% em + 70% had résolution : 10%/  E Ecal et 50%/  E Hcal  E/E > 45%/  E pour les jets  Méthode de flux de particules événement classique : énergie = 60% traces chargées + 30% photons + 10% hadrons neutres  E/E = 20%/  E pour les jets devrait être possible

33 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Algorithme de flux de particules  Problème principal du ECAL : jets de haute énergie, les traces sont très proches à l’entrée du calorimètre électromagnétique conséquences : confusion entre les avalanches  avalanches compactes, granularité fine, algorithmes performants

34 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Algorithme de flux de particules  Le calorimètre hadronique : Les avalanches dans le HCAL sont plus étendues que dans le ECAL  Deux design à l’étude analogue avec petites pads (scintillateurs) digital avec de très petites pads (GEM ou RPC)  Dans les 2 cas le solénoïdes doit être autour du HCAL Difficulté : Reconnaissance des patterns de gerbe

35 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Algorithme de flux de particules  Le planning pour arriver à l’optimisation du détecteur  signal ZHH et HH avec la simulation complète  réduire les échantillons de bruit de fond avant la simulation complète ou construire une simulation rapide plus proche de la réalité

36 Séminaire LPSC, 08 Décembre 2005 Conclusion  D’énormes défis et une montagne de travail  design précis de l’accélérateur  finaliser les différents concepts de détecteur  des arguments physiques de plus en plus pertinents  financement  Déjà beaucoup de physiciens de part le monde concernés et impliqués une petite poignée en balade à Snowmass