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Mesure de la luminosité du LHC avec le calorimètre à argon liquide d’ATLAS et recherche de particules lourdes à longue durée de vie

Instrumentation Physique corpusculaire et cosmos Physique des particules Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Si la découverte du boson de Higgs intervenue au LHC en 2012 est un éclatant succès pour le Modèle Standard de la physique des particules, elle n’apporte aucune réponse à de nombreuses questions toujours ouvertes dans le domaine de la cosmologie et la physique des particules. Parmi celles-ci, on peut mentionner la nature de la matière et de l’énergie noire, l’origine du potentiel de Higgs et le fait que le Modèle Standard n’explique pas de manière satisfaisante les très petites masses des neutrinos. Les solutions naturelles à ces questions pourraient provenir de l’existence de nouveaux types d’interactions et de nouvelles particules.

C’est pourquoi depuis la découverte du boson de Higgs, les efforts sont focalisés sur la recherche de phénomènes nouveaux, au-delà du Modèle Standard. Un des aspects importants dans la comparaison entre les observations et la théorie est d’être capable de normaliser aussi précisément que possible les observations par rapport à la théorie, donc de mesurer aussi précisément que possible la luminosité de l’accélérateur. L’objectif est d’atteindre une précision meilleure que 1% au cours des prochaines années, ce qui est un facteur deux à trois meilleur que la précision atteinte actuellement.

Les expériences LHC disposent de plusieurs techniques et de sous-détecteurs spécialisés pour mesurer la luminosité. Toutefois, ces techniques sont entachées de divers problèmes de stabilité et de linéarité, qui en compliquent l’exploitation.

Lors du run 3 du LHC, qui vient de redémarrer à l’été 2022 , il est prévu d’accroître la luminosité de la machine d’un facteur deux environ. Pour exploiter au mieux cette augmentation de luminosité, le système de déclenchement du calorimètre a été largement revu. Il est maintenant basé sur l’analyse en temps réel des signaux numérisés à la volée, par des batteries de composants programmables.

Une caractéristique importante de ce nouveau système de déclenchement est sa capacité à mesurer pour chaque collision entre deux paquets de protons l’énergie totale déposée dans le calorimètre. Combiné à la stabilité, l’excellente linéarité et à l’uniformité de réponse du calorimètre à argon liquide d’ATLAS, le nouveau système de déclenchement offre le potentiel d’une mesure de la luminosité avec d’excellentes caractéristiques en termes de linéarité et de stabilité. Des études préliminaires menées sur un prototype de la chaîne de déclenchement montrent que la précision de 1% devrait être atteignable. Ces études préliminaires ont été effectuées en utilisant des algorithmes classiques de déconvolution, basés sur la connaissance de la forme théorique du signal. Une voie très prometteuse à explorer est l’utilisation de réseaux de neurones.

Une autre caractéristique du système de déclenchement est sa capacité unique à garder trace de l’historique des interactions dans le détecteur sur un temps nettement plus long que ce que peut faire le système de lecture central. Avec le système de lecture central, il n’est pas possible de conserver l’information sur plus de quatre ou cinq croisements de faisceaux consécutifs. Le système de déclenchement est quant à lui capable de conserver l’information sur plusieurs dizaines de croisements de faisceaux consécutifs, avec une granularité toutefois plus grossière que le système de lecture central des données. Ceci permettra à terme, pour les prises de données prévues au-delà de 2025 de compenser en temps réel l’effet de la charge d’espace générée sur la mesure d’énergie du détecteur. Surtout, cette caractéristique ouvre la possibilité de détecter des particules dont la désintégration survient longtemps (plusieurs dizaines ou centaines de ns, à comparer aux 25 ns entre deux croisements consécutifs) après leur création, donc lentes et très massives, presque jusqu’à la limite cinématique de 7 TeV, bien au-dessus de la limite atteignable par des techniques de recherche plus classiques. De telles particules apparaissent dans de nombreuses classes de modèles supersymétriques.

Laboratoire

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique des Particules
Groupe Atlas (ATLAS)
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