Mesure de la luminosité absolue et de la section efficace totale proton-proton dans l'expérience ATLAS au LHC - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2010

Mesure de la luminosité absolue et de la section efficace totale proton-proton dans l'expérience ATLAS au LHC

M. Heller
  • Function : Author
  • PersonId : 865214

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva will soon deliver collisions with an energy never reached in a particle accelerator. An energy in the center of mass of 10 and ultimately 14 TeV will allow to go beyond the borders of the physics known so far. ATLAS, the largest detector ever built, will hunt the Higgs boson and search for new physics beyond the Standard Model. Any physical process is described by a cross section that measures its probability to occur. The events resulting from a given process are registered by ATLAS. To determine their according cross section, one has to know the luminosity. For the ATLAS experiment, a relative measurement of the luminosity can be done using the response of several sub-detectors. However to calibrate these detectors, an absolute measurement has to be performed. The ALFA detector has been designed to measure the elastic scattering spectrum that will allow to determine the absolute luminosity and the proton-proton total cross section. This provides an accurate calibration tool at a percent level. These detectors, located 240 m away from the interaction point, are called roman pots, a mechanical system that allows to approach a scintillating fiber tracker a few millimeters to the beam center. The simulation of the measurement requires to use a charged particles transport program. This program has to be carefully chosen because the determination of the protons lost during their travel from the interaction point to the detector has a major impact on the acceptance computation. The systematical uncertainties affecting the luminosity and the total cross section measurements are also determined using the full simulation chain. The ALFA detector operates in a complex environment and consequently its design requires a great care. A large tests campaign has been performed on the front end electronics. The results and the corresponding data analysis have shown that all requirement where fulfilled. A test beam has been preformed at each major step in the detector development. During these periods, the detector has been investigated under all aspects. The tracks reconstruction algorithm, the methods to extract the detection efficiency or the cross talk level are just a part of all the parameters that have to be determined. All these tests have confirmed the technical choices made so far and allowed to launch the serial production of the eight detectors that will be install in 2011 for the luminosity measurement.
Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN à Genève délivrera bientôt des collisions avec une énergie jamais atteinte jusqu'alors dans un accélérateur de particules. Une énergie dans le centre de masse entre 10 et 14 TeV permettra de dépasser les frontières de la physique actuelle. Le détecteur ATLAS fera la chasse au boson de Higgs et recherchera une nouvelle physique au delà du modèle standard. Tout processus physique est décrit par sa section section efficace. Les détecteurs positionnés aux différents points de collision du LHC déterminerons les taux de comptage associés aux divers processus. Cependant, pour en déduire la section efficace associée, il faut connaître la luminosité. Pour l'expérience ATLAS, une mesure relative de la luminosité peut être fournie par quelques uns de ses sous-détecteurs. Cependant, pour calibrer ces détecteurs, une mesure absolue doit être effectuée. Le détecteur ALFA a été conçu pour mesurer le spectre de diffusion élastique qui permettra de déterminer la luminosité absolue et par la même occasion, la section efficace totale proton-proton fournissant ainsi un outils de calibration très précis, de l'ordre du %. Ces détecteurs, installés à 240 m de part et d'autre du point d'interaction sont appelés pots romains. Il s'agit d'un système mécanique permettant d'approcher un trajectographe à fibres scintillantes à une distance de l'ordre du millimètre du cœur du faisceau. La simulation de la mesure nécessite l'utilisation d'un logiciel de transport de particules chargées. Ce logiciel doit être soigneusement choisi car il sert à la détermination des protons perdus dans la séquence de l'accélérateur, entre le point d'interaction jusqu'aux détecteurs. L'impact des incertitudes systématiques qui affectent la mesure de la luminosité et de la section efficace totale est également déterminé en utilisant la simulation. Les détecteur ALFA opère dans un environnement complexe et en conséquence sa conception requiert une grande attention. Une large campagne de tests sur l'électronique front-end a été effectuée. L'analyses des données résultant de ces tests a permis de démontrer que toutes les exigences étaient remplies. A chaque avancement majeur dans la conception du détecteur, celui-ci doit être soumis à des tests en faisceau. Durant ces périodes, tous les aspects du détecteur sont étudiés. L'algorithme de reconstruction des traces, les méthodes pour extraire des données l'efficacité de détection ou encore le niveau de diaphonie sont autant de paramètres qu'il a fallu déterminer. Les conclusions de ces tests ont permis de valider les différents choix techniques effectués permettant ainsi le lancement de la fabrication en série des huit détecteurs utiles à la mesure. L'installation prévue courant 2011 permettra de mesurer la luminosité et la section efficace totale proton-proton courant 2012.
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Dates and versions

tel-00491316 , version 1 (11-06-2010)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00491316 , version 1

Cite

M. Heller. Mesure de la luminosité absolue et de la section efficace totale proton-proton dans l'expérience ATLAS au LHC. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Université Paris Sud - Paris XI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00491316⟩
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