L’expérience ATLAS au LHC

Le grand collisionneur de hadrons, le LHC (Large Hadron Collider), est le dernier d’une série d’accélérateurs de particules situés au CERN. Il est décrit dans la section 2.1. Les analyses présentées dans cette thèse utilisent les données enregistrées par le détecteur ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) qui est une des expériences présentes au LHC. Les caractéristiques principales du détecteur sont détaillées dans la section 2.2. La prise de données est décrite dans la section 2.3. Enfin, les ressources informatiques à disposition sont évoquées .

Le LHC, le grand collisionneur de hadrons

Situé près de Genève, le LHC [38] est un accélérateur de particules circulaire dont la circonférence est de 27 km, enfoui à environ 100 m sous terre, dans un tunnel où se trouvait précédemment le grand collisionneur électron-postiron (Large Electron-Positron collider, LEP) [25]. Il est caractérisé par une énergie dans le centre de masse atteignant aujourd’huiLes protons sont produits en amont, par l’ionisation des atomes d’une cible d’hydrogène. Ils sont injectés dans une chaîne d’accélération avant d’entrer dans le grand collisionneur suivant un schéma représenté sur la figure 2.1. Tout commence avec un accélérateur linéaire (LINAC2) qui donne aux protons une énergie de 50 MeV, suivi d’un accélérateur circulaire ayant un rayon de 25 m appelé Proton Synchrotron Booster (PSB), qui augmente l’énergie des protons jusque 1.4 GeV. S’en suit un synchrotron d’un rayon de 100 m qui augmente l’énergie des protons à 25 GeV. Vient par la suite le Super Proton Synchrotron (SPS) caractérisé par une circonférence de 7 km qui accélère les protons jusqu’à une énergie de 450 GeV. Les protons qui sortent du SPS sont finalement injectés par deux lignes de transfert dans le LHC, où ils circulent en deux faisceaux de directions opposées. L’énergie des protons s’accroît de 485 keV à chaque tour pour atteindreps = 13 TeV pour le Run 2 qui s’est déroulé de 2015 à 2018.

Le LHC est un synchrocyclotron avec une fréquence de fonctionnement limitée à une plage réduite. Cette accélération périodique est faite grâce à huit cavités radiofréquences fournissant chacune un gradient de 5 MV/m et distribuées sur tout l’anneau. Cette radiofréquence doit être un multiple entier de la fréquence de révolution ce qui divise le faisceau en des paquets de protons («bunches»). Les protons sont contrôlés par plusieurs types d’aimants supraconduteurs, chacun assurant une fonction précise : les dipôles courbent les faisceaux tandis que les quadrupôles et les aimants d’ordre supérieur permettent de focaliser les protons et corriger la position des faisceaux.

Paramètres du faisceau

La luminosité ne dépend que des paramètres de l’accélérateur. À cause des collisions inélastiques, i:e: au cours desquelles une partie de l’énergie cinétique des protons est convertie en nouvelles particules, le nombre de protons N dans les faisceaux décroît avec le temps. On surveille cette baisse grâce à la luminosité instantanée L et intégrée L =En plus des processus physiques qui intéressent une étude donnée, des collisions « subsidiaires » auront lieu. On en distingue deux types selon l’interaction mise en jeu. Les interactions à longue distance entre les protons produisent des particules ayant une impulsion longitudinale élevée, celles-ci sont appelées des collisions « molles » (ou minimum bias). Les interactions « dures » sont quant à elles produites grâce aux interactions entre les partons des protons et peuvent produire des particules du modèle standard. Ce dernier type de collisions produites en grande partie via interaction forte (cf. section 1.2.1) induit des jets provenant des quarks et gluons.

La probabilité d’avoir plusieurs collisions inélastiques augmente linéairement avec la luminosité. On parle alors d’empilement (pile-up). Ce dernier représente un défi pour les analyses de physique. Il faut différencier les différents processus pour pouvoir trouver celui d’intérêt dans l’événement. La reconstruc- tion des objets physiques est elle aussi plus complexe par les contributions énergétiques supplémentaires émergeant de ces radiations. On divise l’empilement en deux catégories : celles «en-temps» caractérisant les collisions survenues durant le même croisement de paquets et celles «hors-temps» qui viennent de croisements précédents. L’empilement est quantifié par le nombre moyen d’interactions par croisement, <>, qui est le paramètre de la distribution de Poisson donnant la probabilité d’avoir X interactions lors du croisement en question. Il est lié à la luminosité instantanée L, à la fréquence de révolution f du LHC et à la section efficace totale :Figure 2.2 – Distributions montrant (a) la luminosité intégrée en fonction du temps délivrée par le LHC (en vert), enregistrée par ATLAS (en jaune) et celle gardée pour les analyses de physique (en bleu) avec les collisions pp à une énergie dans le centre de masse à 13 TeVet (b) le nombre moyen d’interactions par croisement de faisceau < > donné par année durant le Run 2 [89].

. Vient ensuite un système de calorimètres, électromagnétique et hadronique, permettant la détection des photons/électrons et des jets, respectivement. Enfin, on trouve un spectromètre à muons permettant la reconstruction des traces et la mesure de l’impulsion de ce type précis de particule. Le nom de l’expérience ATLAS est dû à un des deux types d’aimants supraconducteurs, les toroïdes. Ces derniers sont situés dans des cryostats et entourent le calorimètre hadronique. Ils génèrent un champ magnétique d’environ 4 T perpendiculaire à la trajectoire des particules chargées passant dans le spectromètre à muons. Dans la région du tonneau, le champ toroïdal de 4 T est assuré par huit boucles de courant. Deux toroïdes se trouvent dans la région des bouchons et ferment le champ magnétique. Le deuxième type d’aimant est un solénoïde situé dans un cryostat entre le détecteur interne et le calorimètre électromagnétique. Le champ magnétique constant de 2 T créé par ce solénoïde est dirigé selon l’axe du faisceau.