Collisions, Détection, Interprétation

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

2 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 atmosphère

3 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)

4 Les particules Rappel des différentes particules

5 Les particules stables

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

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

8 Les détecteurs au LHC

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

10 La détection des particules
Déterminer leur direction

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

12 Trajectographe en Silicium
Détecteur moderne sur principe semblable

13 La détection des particules
Identifier la charge

14 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.

15 La détection des particules
Mesurer l’énergie

16 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

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

18 Buttons. Click on any particle type to display the relevant slide with animations. Clicking again will return to this slide. Recommend putting this slide in the middle of your presentation and putting the other 5 slides at the end. If you have any difficulties, contact

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

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

21 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

22 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

23 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

24 Visualisation d’un événement à plusieurs part.

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

26 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

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

28 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 → 

29 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

30 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

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