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MOOC : « des particules aux étoiles »
LHCb : détecteur pour la physique du b (Frédéric Machefert)
Bonjour,
L’expérience LHCb étudie les différentes familles de quarks, communément
appelées « saveurs », leurs interactions et la violation de symétrie de CP. Ces
notions ont été introduites dans la séquence intitulée « physique de la saveur et
violation de CP », il y a été notamment montré que le secteur des quarks B est un
domaine privilégié pour étudier cet aspect du Modèle Standard et mettre en lumière
une physique nouvelle au-delà de ce modèle, notamment en raison des paramètres
de la matrice CKM. LHCb est située sur l’anneau de l’accélérateur LHC du CERN.
C’est l’un des quatre grands détecteurs de l’accélérateur, avec Alice, Atlas et CMS.
Les expériences sont matérialisées sur cette image par les puits et les cavernes
souterraines le long de l’anneau. Les deux faisceaux de protons de l’accélérateur
circulent en sens opposés sur les 27 km de l’anneau et viennent en collisions,
notamment au point d’interaction de LHCb.
Déplaçons-nous dans la caverne de l’expérience. Les systèmes de détection de
LHCb sont cachés derrière l’ensemble de la mécanique servant à les soutenir. Voici
les systèmes actifs sous-jacents qui permettent de comprendre les phénomènes qui
ont eu lieu lors de la collision, d’étudier la violation de la symétrie de CP, ou bien des
événements rares liés à la physique des saveurs. Voici le point d’interaction des
protons. A la différence d’Atlas et CMS, la géométrie du détecteur est asymétrique et
n’est pas en forme « d’oignon », avec des couches successives de détecteurs autour
du point de collision des protons. Il ressemble à une succession de plans de
détection, situés ici à gauche du point d’interaction. Le détecteur ne reconstruit donc
que les trajectoires des particules produites ici sur la gauche, le long de l’axe du
faisceau.
Observons ce qui se produit au niveau du point d’interaction. Les faisceaux se
croisent. Et lorsque deux protons se choquent deux partons les constituants
produisent une paire de quarks b. Ces quarks s’hadronisent et forment deux mésons
B qui a leur tour se désintègrent. Dans une très large fraction des événements et en
raison de l’asymétrie entre l’impulsion des deux partons initiaux, les deux mésons B
volent le long de l’axe des faisceaux, vers la gauche ou vers la droite comme sur ce
dessin. La géométrie de l’expérience permet donc de capturer presque la moitié des
paires de mésons B produites. Le graphique de droite montre la distribution angulaire
de chacun des quarks b par rapport au faisceau et sur chacun des deux axes du
graphique. Les deux pics en haut et en bas correspondent à des mésons produits
sur notre dessin soit vers la gauche soit vers la droite. La zone angulaire couverte
par LHCb est ici indiquée en rouge sur la figure. Enfin, notons que la distance de vol
moyenne des mésons B avant leur désintégration est de l’ordre de 1cm. Ceci permet
à l’expérience de distinguer très clairement les particules produites par la
désintégration du méson B, ici en vert de celles issues de l’interaction initiale, en
marron : le point de croisement des trajectoires reconstruites, communément appelé
« vertex » est séparé typiquement de 1cm. Cette signature est très importante. Elle
permet d’identifier les événements de type signal, avec un « vertex » primaire dû à
l’interaction des protons et un vertex secondaire dû à la désintégration d’un méson B.
Les événements de bruit de fond que l’on cherche à éliminer n’ont pas ce vertex
déplacé. Deux conditions doivent être vérifiées malgré tout : la reconstruction de la
zone d’interaction par le détecteur doit être très précise, le nombre de collisions de
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protons par croisement doit rester faible. D’autres collisions de protons pour un
même croisement ressemblent beaucoup à des vertex secondaires ! La luminosité
instantanée au point d’interaction de LHCb est donc plus faible que sur Atlas et CMS.
L’un des instruments essentiels de LHCb est donc son détecteur de vertex. Il s’agit
de deux mâchoires, dont l’une est en photo ici et contenant chacune une série de 17
demi-disques alignés le long de l’axe du faisceau. Chaque demi-disque est parcouru
par des pistes au silicium avec un pas d’environ 100 micromètres et selon les
directions radiales et azimutales. Lorsque le faisceau est stable et que les collisions
commencent, les deux mâchoires viennent se refermer sur les faisceaux jusqu’à ce
que la distance entre l’axe des faisceaux et la zone interne des demi-disques ne soit
plus que de 8 mm. Une image en 3 dimensions des trajectoires des particules
chargées est ainsi obtenue et les vertex sont parfaitement reconstruits.
D’autres sous-détecteurs participent à la trajectographie sur LHCb. De chaque côté
d’un aimant, ici en bleu, imposant un champ magnétique intégré le long de la
trajectoire des particules de 4 Tesla-mètre, deux systèmes de chambres à traces, en
rouge, étendent la reconstruction des trajectoires fournie par le détecteur de vertex
sur plusieurs mètres. La mesure précise du rayon de courbure des traces des
particules dans le champ magnétique permet la détermination de leur impulsion.
La physique des saveurs ou de la violation de CP nécessite de connaître avec
exactitude le mode de désintégration des mésons B. Il faut donc identifier
précisément les types des particules produites. Il s’agit de la tâche des sousdétecteurs non encore décrits. Le premier de ces systèmes est l’imageur de lumière
Cerenkov. D’après la relativité d’Einstein rien ne va plus vite que la lumière dans le
vide, c étant la vitesse correspondante. Cependant en raison de l’indice de réfraction
n, d’un milieu, une particule chargée peut aller plus vite que la vitesse locale, v, de la
lumière dans ce milieu. La propagation de la particule chargée s’accompagne alors
d’un front d’onde de lumière formant un cône autour de l’axe de propagation de la
particule. L’angle d’ouverture du cône est fonction de l’indice du milieu et de la
vitesse beta de la particule chargée. Ce cône est similaire aux ondes suivant un
bateau se déplaçant à grande vitesse ou à l’onde de choc d’un avion volant plus vite
que la vitesse du son. Sur LHCb, deux imageurs Cerenkov sont placés le long de la
trajectoire des particules et contiennent 3 milieux d’indices différents. Des systèmes
optiques mesurent l’angle « theta » du cône Cerenkov produit, représenté sur le
schéma à droite, et donc la vitesse beta de la particule. A partir de l’impulsion fournie
par le trajectographe et de la vitesse, la masse, donc la nature des particules
chargées sont déterminées. Pour compléter le système d’identification, un système
calorimétrique contenant notamment, un calorimètre électromagnétique et un
calorimètre hadronique, permet de mesurer l’énergie et le point d’impact des
photons, électrons et hadrons. Il permet aussi de les différencier. Enfin, une
alternance de blindage et de chambres à traces permet respectivement d’absorber
toutes les particules arrivées jusque-là, sauf les muons, et de mesurer les muons qui
eux, continuent de voler. Ainsi, une trajectoire s’étendant au-delà des calorimètres
est forcément due à un muon.
Voici donc ce qui se passe lors d’une collision. Les protons se croisent et
collisionnent. Les particules traversent les parties instrumentées du détecteur. Les
données produites sont analysées par des ordinateurs, qui, à partir des points fournis
par le détecteur de vertex et les chambres à traces et en utilisant la carte du champ
magnétique de l’aimant, reconstruisent les trajectoires, ici représentées en bleu. Les
calorimètres absorbent les particules et mesurent leurs énergies, indiquées par les
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histogrammes mauve et marron. Enfin, les muons qui traversent aisément la matière
du détecteur et les absorbeurs donnent des points de mesure dans les chambres à
trace du détecteur à muons, à l’extrême gauche. Chaque seconde, l’expérience
LHCb reconstruit et stocke sur disque 4000 événements. Cette quantité de donnée
est ensuite utilisable par les physiciens de l’expérience. Avec un détecteur comme
LHCb, il est possible de découvrir des canaux de désintégration très rares, comme le
canal de désintégration du méson Bs en une paire de muons. Ce canal est très
sensible à de nouveaux modèles au-delà du Modèle Standard et était recherché
depuis plus de 30 ans. On voit sur cette figure la reconstruction de la masse
invariante des mésons Bs qui a permis de déterminer que 3 désintégrations du Bs
sur un milliard produisent une paire de muons. Cette valeur est en parfait accord
avec les prédictions du Modèle Standard.
Je vous remercie de votre attention.
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