Le détecteur ATLAS auprès du
collisionneur LHC

Le collisionneur LHC

Le LHC , Large Hadron Collider, collisionneur proton-proton, fait partie du complexe d’accélérateurs du CERN schématisé dans la figure 2.1 à gauche. Les protons injectés dans le LHC sont d’abord accélérés par une chaîne d’accélérateurs : les protons sont produits par l’ionisation de dihydrogène par un faisceau d’électrons, pré-accélérés par le LINAC2 à 50 MeV puis le PS booster à 1.4 GeV, puis accélérés à 26 GeV par le PS (proton synchrotron), et à 450 GeV par le SPS (super proton synchrotron)i . 2.1.1 Caractéristiques du LHC Comme le LHC utilise le tunnel du LEP (Grand collisionneur électron-positron) de 27 km de circonférence, pour pouvoir courber des protons de plus haute énergie, il a fallu augmente le champ magnétique. Seuls des aimants supraconducteurs permettent d’atteindre des champs de l’ordre de la dizaine de Teslas de façon stable (8.33 T pour des faisceaux de 7 TeV). Le LHC contient environ 9300 aimants supraconducteurs, dont 1232 dipôles de 15 m de long. Chaque aimant contient les deux tubes dans lesquels les protons circulent en sens inverse, contrairement à un collisionneur e +e − ou pp¯ pour lequel les particules de charge opposée peuvent circuler dans le même champ magnétique. Les bobines sont constituées de câbles supraconducteurs faits de fils entrelacés de niobium-titane dans une gaine de cuivre. Ils sont refroidis à une température de 1.9 K par un bain d’hélium superfluide qui sert en plus à évacuer rapidement la chaleur grâce à sa très grande capacité calorifique. Les dipôles, dont on peut voir une représentation schématique dans la figure 2.1 à droite, ou aimants de courbure, dirigent le faisceau, tandis que les quadripôles, ou aimants focaliseurs, permettent de conserver les protons autour de leur trajectoire nominale et de réduire la taille des faisceaux aux points de collision. Les deux paramètres du faisceau les plus importants pour les mesures de physique sont l’énergie dans le centre de masse √ s, et la luminosité L . Le LHC peut fournir des collisions avec une énergie dans le centre de masse comprise entre 900 GeV et 14 TeV, et elle était de 7 TeV en 2010. La luminosité quant à elle ne dépend que des paramètres de l’accélérateur, et le nombre d’événements produits par seconde par un processus physique est donné par la formule N = L .σ, où L est la luminosité instantanée (en cm−2 s −1 ) et σ la section efficace du processus, souvent exprimée en barnsii . 

Les principales expériences auprès du LHC

Il y a 4 points de collisions sur l’accélérateur, où se situent les 4 expériences principales du projet : – ATLAS [22], A Large Toroidal LHC ApparatuS, située au point 1, expérience généraliste. – ALICE [23], A Large Ion Collider Experiment, située au point 2, expérience consacrée aux collisions d’ions lourds et à l’étude d’un plasma de quark et de gluons. – CMS [24], Compact Muon Solenoid, située au point 5, expérience généraliste. – LHCb [25], LHC beauty experiment, située au point 8, expérience consacrée à l’étude des propriétés du quark b . 2.1.3 Démarrage et premières données du LHC Les premiers faisceaux ont été injectés dans le LHC le 10 septembre 2008 . Suite à un incident dû à un problème de soudure d’une inter-connexion électrique entre deux aimants le 19 septembre, le programme du LHC a dû être interrompu pendant plus d’un an, afin de changer les aimants endommagés, de vérifier et réparer d’autres inter-connexions défectueuses, d’installer des soupapes supplémentaires sur certains aimants, et de rajouter de nouveaux systèmes de protection [26]. Après un redémarrage fin octobre 2009, les premières collisions ont été enregistrées le 23 novembre 2009 à l’énergie d’injection. Puis l’énergie des faisceaux a été augmentée pour obtenir des collisions à une énergie dans le centre de masse de 2.36 TeV le 8 décembre, dépassant le précédent record d’énergie détenu par le Tevatron. La figure 2.2 montre une photo prise en salle de contrôle d’ATLAS et un affichage d’événement d’une des premières En 2009, 917000 collisions ont été enregistrées par ATLAS, ce qui correspond à une luminosité intégrée de 20 µb −1 . Parmi elles, 538000 collisions (soit 12 µb −1 ) correspondent à un état de « faisceau stable » à 900 GeV et 34000 collisions ont été enregistrées à 2.36 TeV. Ces données enregistrées en 2009 ont été utilisées pour la mise en œuvre de l’énergie transverse manquante avec les premières collisions présentée au paragraphe 4.4.2. En 2010, les premières collisions à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse ont été enregistrées le 30 mars. Jusqu’au 4 novembre, la luminosité instantanée a augmenté progressivement de 5 ordres de grandeur, de 1028 cm−2 s −1 à 2.1032 cm−2 s −1 , et le nombre moyen d’interactions est passé de 0 à 3.5 en moyenne par croisement de faisceau (figure 2.3). Ceci a permis d’enregistrer 45 pb−1 de données, comme on peut le voir sur la figure 2.4. Tous les résultats avec des collisions présentés dans ce document utilisent ces données prises en 2009 et 2010.