LHCb : un détecteur dédié

C E CHAPITRE est dédié à la description du détecteur LHCb [24]. C’est une expérience conçue pour mesurer avec précision des paramètres de violation de la symétrie CP ainsi que rechercher des désintégrations rares dans le secteur des mésons beaux. Elle exploite le grand nombre de paires de quarks bb produites chaque année auprès de l’accélérateur proton-proton, le LHC, situé au CERN à Genève. La première section présentera le LHC, avec une description succincte de ses propriétés et performances. La deuxième partie présentera le détecteur LHCb, notamment la luminosité de fonctionnement, les mécanismes de production de quarks b, et les propriétés d’acceptance géométriques. Les sections 2.3 à 2.5 présenteront les sous détecteurs et leur performances, et enfin la section 2.6 présentera la partie logicielle associée au détecteur, avec les simulations détaillées utilisées pour les études préliminaires.

Le Grand Collisionneur de Hadron LHC

Le grand collisionneur de hadron, le LHC [25] est un accélérateur supra-conducteur à deux anneaux. Il est installé dans le tunnel existant de 26,7 km utilisé par le LEP. Il héberge quatre expériences. Atlas et CMS sont dédiées principalement aux processus de grande énergie permettant la découverte du boson de Higgs ou d’une possible nouvelle physique. L’expérience LHCb est dédiée à l’étude de la violation de la symétrie CP et la recherche des désintégrations rares dans le secteur des mésons beaux. Enfin, Alice s’intéresse aux processus extrêmes mettant en jeu la chromodynamique quantique et étudie les collisions d’ions lourds. L’énergie disponible pour les collisions proton-proton est de 14 TeV dans le centre de masse. Pour obtenir une telle énergie, la chaîne d’accélération illustré dans la Figure 2.1 est mise en œuvre. Tout d’abord des paquets de 1011 protons sont ac31 32 LHCb : un détecteur dédié FIG. 2.1: Complexe d’accélération du CERN. Les protons sont accélérés par le Linac2, puis injectés dans le PS, puis dans le SPS, et enfin dans le LHC. célérés par un LINAC jusqu’à une énergie de 50 MeV. Ils sont ensuite injectés dans le PS où leur énergie initiale est augmentée jusqu’à 26 GeV. Le SPS prend ensuite le relais afin de les envoyer dans l’anneau du LHC avec une énergie de 450 GeV. Ce dernier les accélèrera jusqu’à l’énergie nominale de 7 TeV. La luminosité délivrée est déterminée par la relation [25] : L = N2 b nb frevγr 4πεnβ ∗ F , où Nb est le nombre de particules par paquet, nb est le nombre de paquet par faisceau, frev est la fréquence de révolution, γr le facteur relativiste gamma, εn l’émittance transverse normalisée, β ∗ la fonction beta au point de collision, et F le facteur de réduction de la luminosité géométrique due à l’angle de croisement au point d’interaction : F = 1 r 1 +  θcσz 2σ ∗  . Dans cette expression, θc est l’angle de croisement au point d’impact, σz est la variance de la longueur du paquet, et σ ∗ la variance de la largeur transverse du faisceau au point de collision. La luminosité nominale du LHC est de 1034 cm−2 s −1 .

Généralités sur LHCb

L’expérience LHCb est installée au point 8 du LHC. Elle occupe la place du détecteur DELPHI du LEP. C’est un spectromètre dirigé vers l’avant, Figure 2.2, dont la géométrie est imposée par deux aspects : – la production des hadrons beaux se fait essentiellement dans la direction du faisceau ; – un compromis entre l’efficacité de détection et la place disponible dans la caverne. Les mécanismes de production des quarks beaux à partir d’une collision protonproton sont complètement régis par l’interaction forte. La production de paires bb par interaction partonique est montrée sur la Figure 2.3, et est dominée par l’excitation de saveur [26]. Les partons impliqués dans la diffusion inélastique proton-proton interagissent avec un grand échange d’impulsion. Puisque l’impulsion échangée augmente avec l’énergie au centre de masse, les paires bb sont boostées selon la direction du parton de plus grande impulsion et selon la direction du faisceau. De ce fait, les hadrons beaux issus de la paire bb sont produits principalement dans le même cône avant ou arrière. Ceci est illustré dans la Figure 2.4, qui montre la corrélation angulaire des hadrons b et b produits dans les collisions proton-proton générées par PYTHIA [27, 26]. Cette figure présente aussi la complémentarité entre le détecteur Atlas et le détecteur LHCb dans la détection des paires de quarks bb. La couverture de LHCb en pseudo rapidité est : 1, 9 < η < 4, 9 . La section efficace de production de paires bb à 14 TeV est prédite entre 500 µb et 1000 µb, comme le montre la Figure 2.5, et la référence [26]. Pour faciliter la recherche de vertex de production de mésons beaux, l’expérience LHCb utilise une luminosité de 2 × 1032 cm−2 s −1 . En effet, d’après la Figure 2.6, cette zone de luminosité est dominée par une seule interaction quark-quark. La luminosité intégrée pour une année nominale est à LHCb Lint = 2 fb−1 . L’expérience LHCb attend 1012 paires bb par année, puisque le nombre de paires produites est donné par : Nbb = Lint × σbb . La luminosité à LHCb est ajustable. Le détecteur a été conçu pour des luminosité variant entre 2 × 1032 cm−2 s −1 et 5 × 1032 cm−2 s −1 . Le nombre moyen d’interactions quark-quark est indiqué dans la Figure 2.6.