Fig. 1 Le détecteur de LHCb. En bas à gauche : schématiquement ; En bas à droite: «Event Display» développé au LAL.

Transcription

1 LHCb est l'une des expériences installées sur le LHC. Elle recherche la physique au-delà du Modèle standard en étudiant les mésons Beaux et Charmés. L accent est mis entre autres sur l étude de la violation de CP. Le groupe du LAL a préparé l arrivée des premières données en contribuant à la mise en route des calorimètres et du système de déclenchement et en développant des techniques d étalonnage. L an 2010 nous a donné nos premiers résultats physiques, basés sur une luminosité intégrée de 35 pb -1 seulement. Ces données servent aussi à préparer les analyses de (2000 pb -1 sont attendus), et à étudier les performances des calorimètres et du système de déclenchement. Elles sont bonnes malgré des faisceaux plus intenses que prévus, conditions par ailleurs instructives pour notre projet à plus long terme : l upgrade de LHCb. Fig. 1 Le détecteur de LHCb. En bas à gauche : schématiquement ; En bas à droite: «Event Display» développé au LAL. L EXPERIENCE LHCB LHCb étudie avec une grande précision les mésons B (constitués d un quark b et d un quark léger) et les mésons charmés D (où un quark c remplace le b). Ils sont très sensibles aux différences de comportement entre matière et antimatière. Etudier cette "violation de CP" est crucial. Le Modèle standard la prévoit et la décrit, mais ne s attache pas à prédire son ampleur. Ce manque, entre autres questions ouvertes, incite à penser qu une physique au- 1/6

2 delà du Modèle standard apportera une compréhension meilleure. Elle serait alors à l œuvre dans ce secteur et pourrait y être découverte via l étude précise de phénomènes violant CP. En outre, certains modes de désintégration des B et des D sont très rares d après le Modèle standard, et sont ainsi propices à la recherche de nouvelle physique, qui peut facilement les rendre plus fréquents. Les collisions de protons à haute énergie (7 TeV) du LHC produisent des B et des D à un taux beaucoup plus élevé qu aux usines à B qui alimentaient les précédentes expériences, comme BaBar et Belle. Toutes les espèces y sont produites, y compris le BS (un quark b, un anti-quark s). Par contre, LHCb doit s adapter aux importants bruits de fond du LHC : moins de 10% des collisions produisent des mésons B ou D, toujours accompagnés de dizaines d autres particules, dont il faut les distinguer. Outil crucial : le système de déclenchement de niveau 0, traitant des dizaines de millions de collisions par seconde pour isoler les quelques centaines de milliers les plus susceptibles de renfermer un B ou un D. Il dépend notamment d un détecteur robuste et rapide : le calorimètre, au centre du travail du groupe LHCb du LAL, en plus de plusieurs analyses de physique. ACTIVITES DE Le LAL a contribué par le passé à la conception globale du calorimètre (Fig 2.), à l étude de ses photomultiplicateurs, à l électronique de lecture, au système de déclenchement de niveau 0. Depuis 2008, il a travaillé à leur démarrage et à leur réglage sur les premières données. Fig. 2. Calorimètres de LHCb. De droite à gauche : le HCAL, mesurant des hadrons, le ECAL mesurant les électrons et les photons, le SPD et le PS (détecteur de pied de gerbe), permettant de distinguer les électrons et les photons des hadrons. Etalonnage des calorimètres Une méthode d alignement en temps développée au LAL a permis d aligner entre elles à mieux qu une nanoseconde les cellules du ECAL puis celles du HCAL. L alignement relatif de ces détecteurs à une nanoseconde est aussi assuré. Nous avons montré que l énergie transverse déposée varie assez lentement le long de la surface du calorimètre pour corriger chaque cellule par la moyenne de ses voisines. Un étalonnage relatif à 4-5% près est atteint vite (1-2 millions de collisions) et facilite ensuite 2/6

3 l étalonnage fin (~2%). La reconstruction doit aussi tenir compte correctement de l énergie déposée dans le preshower. C est entre autres un ingrédient important de la méthode d identification des photons développée au LAL. Le caractère aléatoire de ce dépôt élargit le pic de masse du 0. Nous avons déterminé les corrections à appliquer à l énergie du preshower en minimisant cette largeur. Opération des calorimètres et système de déclenchement Elle nécessite de surveiller en temps réel les données du calorimètre et les décisions du déclenchement, grâce à des softwares que nous contribuons à développer, et d intervenir en cas de problème. Il a fallu s adapter en 2010 à un choix radical : l optimisation de la luminosité menant à une moyenne de 2 collisions par croisement de faisceau au lieu de 0.4. Le système de déclenchement doit traiter beaucoup plus de particules que prévu dans un même laps de temps. Il bénéficie de travaux réalisés au LAL sur la reconstruction des particules chargées dans de détecteur de vertex : elle est maintenant plus rapide de 30%. Plus généralement, nous contribuons à la prise de données par de nombreux shifts. On atteint au total près d un mois de présence au CERN par personne et par an. Upgrade de LHCb LHCb projette après 2016 de décupler l échantillon de données obtenu d ici 2015 grâce à une luminosité 5 fois plus élevée. Le premier niveau de déclenchement, électronique, laissera la place à un système software. Une nouvelle électronique Front-End devra lire et transmettre toute l information issue du détecteur à 40MHz et non plus 1MHz. Nous participons à sa conception pour le calorimètre. Le service électronique a réalisé un premier prototype en 2010 (Fig 3.). Nous étudions aussi la résolution sur la reconstruction de l énergie dans ces nouvelles conditions (plusieurs collisions pp par croisement de faisceaux). Les analyses de Physique Fig 3. Prototype de carte Frond End pour l upgrade de LHCb 3/6

4 Rechercher et étudier la nouvelle physique nécessite des informations variées et complémentaires. Nous déployons en ce sens un programme large : Contrainte du schéma standard de violation de CP en mesurant l angle. On combine 8 ( ) ( ) ( ) rapports de branchement ( 0 0 ( B D K ) K * ); Recherche de nouvelle physique via une fraction de polarisation droite du photon trop élevée dans b s. Une approche originale extrait la polarisation en mesurant B K*e+e- dans la région 30MeV<m(ee)<1000MeV ; Recherche complémentaire de nouvelle physique dans le secteur du charme via D 0 K + K et K + K ; Contrainte des traitements théoriques de l interaction forte via les propriétés du méson BC et des charmonia J/, c,1, c,2, c,1 et hc. Les 3 premières analyses nécessitent 1 à 2 fb -1 pour surpasser les résultats des usines à B et du Tevatron. Elles usent des données de 2010 pour mieux déterminer les performances de reconstruction qu avec la simulation. Les autres ont déjà permis des résultats originaux. PREMIERS RESULTATS Le bon fonctionnement des calorimètres est un résultat important. Dans des conditions proches des conditions nominales (taux de collisions à 3 MHz fin 2010), le déclenchement de niveau 0 fonctionne aussi bien que prévu. Des canaux de contrôle évaluent en détails ces performances : appliquer l algorithme de la ligne électromagnétique à des désintégrations B 0 J/ (e + e - )K * collectées par la ligne hadronique montre une efficacité conforme aux prédictions de la simulation. Même constat pour la précision de la reconstruction hors ligne (Fig. 4). La qualité de l identification des électrons permet d isoler le signal de la Fig. 5. Une étude similaire employant D K - + tend vers les mêmes conclusions pour le HCAL. Fig 4. Masse invariante de paires de photons. On observe les pics de masse du 0 et du. 4/6

5 Fig5. Candidats J/ e + e -, et pic de masse des candidats B 0 J/ (e + e - )K * L identification performante des muons à LHCb et la bande passante qu on leur accorde lors du déclenchement a permis en quelques mois (5 pb -1 ) de mesurer la production de J/ en fonction de Pt, dans un domaine de rapidité (2<y<4.5) accessible seulement à LHCb, et la section efficace totale : (pp J/, PT<14GeV)= b. Elle peut varier d environ 20% sous l effet de la polarisation, objet d une prochaine mesure. Les J/ détachés du point de collision proviennent de hadrons beaux (Fig. 6): on mesure dans 4 (pp bb) = b, confirmant la valeur employée par LHCb durant sa conception pour évaluer son potentiel. 5/6

6 Fig. 6. Distribution du temps de vie des J/ produits au point de collision (ligne verte et surface grisée) ou de ceux issus de hadrons beaux (excès sur la droite). Pour mesurer le B + c, le rapport signal sur bruit impose le mode B + c J/ +. On réduit les erreurs systématiques liées à la reconstruction en effectuant une mesure relative : (pp BC)*B(B + c J/ + )/ (pp B + )*B(B + J/ K + )=( )%. Cela indique aussi qu'en 2011, des centaines d'événements seront disponibles pour mesurer sa durée de vie. L analyse préliminaire des canaux B 0 d D 0 K * a reconnu en BS D 0 K* un bruit de fond pouvant compromettre la mesure de. En réaction, le groupe a évalué son impact en tirant des données de 2010 la toute première mesure de ce mode: B(BS D 0 K*)/B(B 0 d D 0 )= 1.39±0.31 ±0.25 (Fig. 7). Fig. 7. Pic de signal BS D 0 K*. 6/6