COMMENT LE CMS PERMET-IL DE FAIRE DES

COMMENT LE CMS PERMET-IL DE FAIRE DES DÉCOUVERTES? Introduction à la physique expérimentale à haute énergie. Voyage au CERN 2015 Martin DELCOURT 11 février 2015 M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 1 / 34

Introduction Motivation La physique est une science expérimentale Le LHC permet de produire des phénomènes n apparaissant qu à très haute énergie Pour confirmer/infirmer/découvrir de la nouvelle physique, il faut observer ces phénomènes Différentes collaborations ont donc construit des détecteurs autour des points d interaction J utiliserai ici l exemple du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) Collaboration de 4892 personnes (le 26/01/2015) Majoritairement des physiciens (dont 5 théoriciens) et ingénieurs A co-découvert le boson de Higgs Mais surtout, parmi laquelle l UCL est impliquée (38 membres) M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 2 / 34

Introduction Motivation M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 3 / 34

Introduction Le détecteur de CMS M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 4 / 34

Plan d attaque 1 Introduction 2 Comment peut-on voir une particule? 3 Les sous-détecteurs de CMS Pixel/Tracker Calorimètres Calorimètres Chambres à muons 4 Système d acquisition et GRID 5 Conclusion M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 5 / 34

Comment peut-on voir une particule? Principe de base Pour détecter une particule, elle doit interagir On veut que les particules venant d une collision produisent un signal électrique Signal ensuite lu par le système d acquisition Différents types de particules vont réagir différemment Particules chargées lourdes légères Particules neutres photons hadrons M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 6 / 34

Comment peut-on voir une particule? Particules chargées Les particules chargées peuvent interagir avec la matière via : Collisions avec les électrons ou les noyaux Réactions nucléaires (hadrons) Bremsstrahlung Radiation Cherenkov Ceci résulte en : Perte d énergie Déflexion de la particule incidente M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 7 / 34

Comment peut-on voir une particule? Les électrons La matière aura un effet très différent sur les particules légères (électrons) et lourdes (toutes les autres particules chargées) Les électrons ont la particularité de : facilement être défléchis rapidement émettre du bremsstrahlung les électrons sont les seuls à être aussi légers que... les électrons peut perdre toute son énergie en une seule collision avec un électron atomique Les électrons ont une portée beaucoup plus faible dans la matière que les autres particules chargées. M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 8 / 34

Comment peut-on voir une particule? Et les muons dans tout ça? Les muons sont 200 fois plus lourds que les électrons Presque pas de bremsstrahlung Perd peu d énergie par collision ne subit pas l interaction nucléaire très difficile à arrêter... M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 9 / 34

Comment peut-on voir une particule? Particules neutres - les photons Les photons interagissent avec les particules chargées de la matière principalement par : Effet photoélectrique Compton Production de paire Processus dominant dépend de l énergie et du matériau M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 10 / 34

Comment peut-on voir une particule? Particules neutres - les hadrons neutres Seule interaction possible : avec les noyaux de la matière σ relativement faible Besoin de détecteurs plus massifs sauf à basse énergie (détecteurs de neutrons au 10 B, etc.) M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 11 / 34

Comment peut-on voir une particule? Particules neutres - les neutrinos Les neutrinos n interagissent que par l interaction faible Bien nommée. À votre avis, Quelle épaisseur d acier aurait-on besoin pour faire interagir 50% d un faisceau de ν µ de 1GeV? 1 m? 1 km? 1000 km? M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 12 / 34

Comment peut-on voir une particule? Particules neutres - les neutrinos Réponse : de l ordre de 10 millions de km, soit plus ou moins 15 fois le rayon du soleil. I NB : si ils étaient de 5 MeV, il faudrait plusieurs années lumières... Conclusion : On ne peut pas détecter les neutrinos venant d un événement donné I Les expériences en physique des neutrinos ont des détecteurs gigantesques, un flux de neutrino énorme et peu de données... M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 13 / 34

Comment peut-on voir une particule? Conclusion Particules chargées Déposent de l énergie de manière continue Électrons :production de gerbe EM, portée faible Hadrons : production de gerbe had, portée moyenne Muons : pas de gerbe, portée très grande Particules neutres Premier dépôt aléatoire Photons : portée faible, production de gerbe EM ou de paire e + e Hadrons : portée moyenne, production de gerbe had Neutrino : haha, bonne chance M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 14 / 34

1 Introduction 2 Comment peut-on voir une particule? 3 Les sous-détecteurs de CMS Pixel/Tracker Calorimètres Calorimètres Chambres à muons 4 Système d acquisition et GRID 5 Conclusion M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 15 / 34

Le pixel et tracker Objectif Lors de l analyse de donnée, on veut pouvoir : Connaître la charge d une particule Reconstruire des objets s étant désintégrés Connaître la quantité de mouvement des objets Séparer différentes collisions Pour cela, on doit pouvoir reconstruire la trace des particules chargées au centre du détecteur Un champ magnétique intense (3.8T) permet de déterminer la quantité de mouvement M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 16 / 34

Le pixel et tracker Principe de fonctionnement On utilise des semi-conducteurs (bande de conduction et de valence très proche). En ajoutant des impuretés, les niveaux d énergie changent En changeant le type d impureté, on peut construire des diodes. M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 17 / 34

Le pixel et tracker Principe de fonctionnement Un détecteur au silicium est une grosse diode polarisée en mode inverse : En appliquant un champ électrique, on la vide de charges libres Le courant de fuite est très faible Quand une particule chargé passe, elle arrachera des électrons de la bande de valence w ep = 3.61eV Proton de 2.5GeV (MIP) : de = dx 713keV/cm On produit 197000 électrons par cm Permet de créer des détecteurs très fins (300µm 6000 electrons) M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 18 / 34

Le pixel et tracker M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 19 / 34

Calorimètres Motivation Les informations du tracker ne sont pas suffisantes On veut aussi connaître L énergie des particules L identité des particules Pour cela, on utilise des calorimètres M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 20 / 34

Calorimètres Principe de fonctionnement L élément central d un calorimètre est un scintillateur Un scintillateur est un matériau transparent qui, en se désexcitant, produit de la lumière En arrêtant une particule dans un scintillateur, on transformera son énergie en lumière Ensuite, la lumière produite doit être transformée en courant électrique On utilise des Avalanche PhotoDiodes (APD), dans lesquels le signal est amplifié M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 21 / 34

Calorimètres M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 22 / 34

Chambres à muons Le M de CMS Beaucoup de processus intéressants produisent des muons Il est donc important de bien les identifier bien mesurer leur quantité de mouvement M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 23 / 34

Chambres à muons Principe de fonctionnement Les chambres à muons utilisent différents types de détecteurs au gaz Un muon traversant le détecteur ionise le gaz qui crée une charge Comme il faut beaucoup d énergie pour ioniser un gaz et qu il est peu dense : Le signal, trop faible, doit être amplifié dans le détecteur Grand champ électrique M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 24 / 34

Chambres à muons M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 25 / 34

Les détecteurs de CMS M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 26 / 34

Système d acquisition, trigger et GRID Système d acquisition Le but du système d acquisition est simple : Il prend en entrée les signaux électriques venant des détecteurs Il enregistre ensuite ce qui est intéressant sur disque M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 28 / 34

Système d acquisition, trigger et GRID Pourquoi un trigger? La première étape avec ces données est d en jeter 99,99999% 1 milliard de collisions par seconde, enregistrement à 100Hz Définitif, aucun moyen de les récupérer Pourquoi tant de haine? Très peu d événements sont intéressants Par exemple, on produit un higgs tous les 10 10 collisions On a pas le choix... 1Mb la collision 1Pb/s produit En utilisant des disques durs 3.5 de 8Tb, 1m 3 de DD remplis en 21 secondes Bonne chance pour analyser tout ça après... M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 29 / 34

Système d acquisition, trigger et GRID Comment fonctionne le trigger? Trigger en deux étapes Niveau 1 (L1) Carte d électronique Ne lit qu une partie des données Analyse rudimentaire Lepton isolé? Muon de haute énergie? a 3.6 µs pour décider Trigger de haut niveau (HLT) Readout complet du détecteur Reconstruction rapide Algorithmes complexes Présence d un muon isolé/de deux muons? Jet ressemblant à un tau/un b? etc. a quelques secondes pour choisir M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 30 / 34

Système d acquisition, trigger et GRID Comment peut-on analyser tout ça? L analyse de données requiert une énorme puissance de calcul Les processus sont trop complexes pour avoir une interprétation directe Besoin de simuler les données et les comparer à l expérience Données simulées Génération Monte-Carlo d un événement primaire Simulation de la réponse du détecteur Données du détecteur Enregistrement des données Reconstruction de l événement Identification des particules, quantité de mouvement etc. Ensuite, seulement, une analyse physique peut être effectuée par les utilisateurs Même analyse réalisée sur théorie et données Met en évidence différences ou limite les nouvelles théories M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 31 / 34

Système d acquisition, trigger et GRID Comment peut-on analyser tout ça? M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 32 / 34

Conclusion Pour analyser les collisions au LHC, besoin de détecteurs et de collaborations gigantesques On voit des particules grâce à leur interaction dans la matière produisant un signal électrique Un bon système de trigger est primordial L analyse de données n est possible que via des millions de lignes de codes Si vous êtes motivés, vous pourrez en faire partie un jour! M. Delcourt (UCL/CP3) CMS - Comment marche un détecteur 11 février 2015 34 / 34