Vous trouverez des instructions détaillées ici.

Événements actuellement disponibles

Group_1 contient dix événements. Les cinq premiers sont des désintégrations de Z en électrons (Z -> e+e-) et les cinq autres Z en muons (Z->μ+μ-)

Group_2 contient dix événements qui sont à nouveau des désintégrations de Z en paires de leptons (électrons et muons) mais cette fois mélangés au hasard.

Group_3A, 3B, 3C chacun contient cinquante événements différents. Les élèves choisissent l'un d'eux au hasard. Certains d'entre eux sont des désintégrations de Z en deux leptons et les autres sont des événements du bruit de fond qui peuvent contenir des rayons cosmiques ou des désintégrations de W, J/ψ, Y ou autres.

Higgs contient dix événements dont trois sont des désintégrations du boson de Higgs en quatre leptons et le reste sont des événements qui viennent du bruit de fond. Les événements contenant des bosons de Higgs ne sont pas réels et ont été reconstruits à partir d'une paire de désintégrations de bosons Z, de sorte que la masse du boson de Higgs n'est pas réaliste.

Plus d'événements seront ajoutés à l'avenir, y compris les événements réels de Higgs qui sont actuellement réservés aux membres de la Collaboration ATLAS.

Sélectionner un événement

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Sélection d événements

Vous pouvez sélectionner l'événement qui vous intéresse soit en utilisant les boutons "Précédent / Suivant" ou en le sélectionnant à partir de la liste offerte. Le numéro de l'événement sélectionné avec le nombre total d'événements disponibles est affiché à gauche de la liste. De plus, l'énergie manquante (ETMiss) de l'événement, est également affichée.

Choisir une trace

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Choisir une trace

Si vous cliquez sur une trace (ligne blanche) sur l'une des deux vues du détecteur, la trace est sélectionnée sur les deux vues et apparaît en rose. La trace correspondante dans le tableau des traces est également sélectionnée.

L'inverse est vrai aussi. La sélection d'une trace dans la liste du tableau la sélectionne également sur les deux vues du détecteur.

Si la trace est insérée dans le tableau des masses invariantes, elle y est aussi sélectionnée.

Histogrammes

Les histogrammes correspondant aux traces du tableau de masses invariantes sont toujours calculés automatiquement lorsque vous insérez ou supprimez une trace.

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Mll histogram avec une paire des traces
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pT histogram avec des traces multiples

Les trois premiers histogrammes représentent l'énergie, l'énergie transverse et la distribution de l'angle θ des traces (angle entre la trace et la direction d’un des faisceaux). Les deux histogrammes suivants montrent les masses invariantes calculées à partir des traces d'électrons ou de muons. Les deux suivants affichent toutes les masses invariantes des paires de traces indépendamment de leur type. Le dernier histogramme montre la masse invariante des groupes de quatre traces (soit quatre électrons, quatre muons ou deux électrons et deux muons).

En faisant glisser la souris en dessous de l'axe des x, vous pouvez soit modifier la plage de l'histogramme (si vous la faites glisser près des bords) ou déplacer la zone indiquée (si vous la faites glisser au centre). Vous obtiendrez aussi un rectangle bleu après avoir cliqué sur l'histogramme. Les points de contrôle vous permettront de déplacer ou redimensionner le graphique entier. La même chose s'applique à la légende.

Coupures

Les coupures sont des limites que vous pouvez placer sur les traces affichées.

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Coupure de 5GeV

Vous pouvez sélectionner le seuil d'énergie des traces que vous voulez voir affichées. En cochant la case appropriée et en entrant une valeur dans le champ correspondant, vous pouvez supprimer toutes les traces dont l'énergie est inférieure à la limite. N’oubliez pas de cliquer la case juste à gauche après l'introduction de la valeur pour activer le seuil. Mais attention de ne pas le régler trop haut car vous risquez de perdre des traces importantes.

Cela peut être très utile dans les événements contenant un grand nombre de traces où habituellement les traces de basse énergie n’ont aucun intérêt.

Aussi lorsque vous utilisez la coupe, les pistes de haute énergie qui font partie d'un jet peut apparaître comme isolé et conduit à l'identification incorrecte.

Energie transversale manquante (ETMiss)

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La direction du momentum manquant est indiqué par la ligne rouge en pointillés

C'est l’énergie emportée par une particule qui n’est pas détectée par le détecteur mais qu’on peut déduire à cause de la conservation de l'énergie (et de l'impulsion) dans le plan transversal.

L’énergie manquante est généralement attribuée à des particules qui s'échappent du détecteur sans être détectées comme les neutrinos (bien que l'énergie manquante apparente puisse aussi être causée par des erreurs de mesure de l'impulsion ou de l’énergie des autres particules détectées).

Dans le LHC, l' énergie initiale des constituants entrant en collision le long de l'axe du faisceau n'est pas connue (parce que l'énergie de chaque hadron est divisée, et constamment échangée entre ses constituants), de sorte que la quantité d'énergie manquante suivant cet axe ne peut pas être déterminée.

Cependant, l'énergie initiale dans un plan transversal (perpendiculaire) à l'axe du faisceau est égal à zéro, de sorte que la somme de l’énergie de toutes les particules dans un évènement indique l'énergie manquante transversale (ou ETMiss). Elle est représentée sur la vue du détecteur par une ligne rouge en pointillés qui en plus de la valeur montre aussi la direction de l’énergie transversale manquante. Par conservation de la quantité de mouvement (ou impulsion), on peut de la même façon déduire la valeur et la direction de l’impulsion transversale manquante (pT).

Axes

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Axes de détecteur

ATLAS utilise un système de coordonnées avec l'axe des z le long du tube de faisceau. L'axe des x pointe vers le centre de l'anneau du LHC, et l'axe des y pointe vers le haut. Les coordonnées cylindriques (r, φ) sont utilisées dans le plan transversal, φ étant l'angle azimutal. La pseudorapidité η est définie en termes de l'angle polaire θ (mesuré par rapport à l’axe des z) par η = - ln tan(θ/2).

Produits de collision de particules

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Les produits de cette collision (simulée) contient un Boson Higgs

Dans la plupart des collisions entre les deux faisceaux de protons, les protons ne font que se frôler, produisant des interactions de faible énergie. La majorité des particules ainsi crées continuent dans la même direction que les particules d'origine (donc parallèle aux faisceaux).

Cependant, des particules très massives sont parfois produites. Celles-ci ont une durée de vie très courte et se désintègrent presque immédiatement, produisant des particules plus légères et plus stables. Les désintégrations de ces particules plus massives produisent souvent d’autres particules énergétiques qui sortent à grands angles, i.e. plus ou moins perpendiculaires aux faisceaux. Pour cette raison, nous mesurons l'impulsion transversale (pT), et nous l'utilisons pour trouver les événements les plus intéressants.

Les traces des particules provenant de la désintégration d'une même particule doivent toutes se recouper au même point d'origine, appelé "sommet". La somme des impulsions transversales de toutes les particules issues d’une même collision doit être égale à zéro par conservation de l’impulsion. La différence est attribuée aux particules invisibles émergeant de ce même point d’origine. Dans cet exercice, vous allez reconstruire la particule Z0, un boson qui transmet la interaction faible. C’est l’interaction qui est responsable de l'énergie qui nous vient du soleil et de la radioactivité.

Le boson de Higgs

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Des Boson Higgs se décomposent à 4 leptons

Cette méthode (voir les produits de collision ) est celle utilisée pour extraire les bosons de Higgs des données.

Tout de suite après avoir été produit

A more complicated example of an "invisible" particle is the decay of the long sought Higgs boson into two Z bosons (one of several possible decay modes). That too occurs almost instantly, and is followed by both Z bosons decaying into pairs of e+e- or/and μ+μ-.

La mesure de la largeur d'une particule

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La distribution Breit- Wigner est semblable à un Gaussian auprès du sommet, mais les queues de la courbe sont plus plates.

Si une particule d’une durée de vie extrêmement courte est produite dans une collision à haute énergie, le principe :

d'incertitude de Heisenberg implique qu’il y aura une certaine incertitude sur l’énergie mesurée (ce qui signifie que sa masse invariante ne sera pas unique mais donnera une certaine distribution autour d’un pic). La mesure de la masse invariante d'une particule instable donne une distribution (histogramme) des valeurs de masse appelé une distribution de Breit-Wigner.

La largeur de cette répartition à mi-hauteur est appelée Γ où Γ = 1/τ, et τ, la durée de vie de la particule, est prise comme l'incertitude sur le temps : τ = Δt. Γ est la "largeur de la particule". Plus une particule est étroite, plus sa durée de vie est longue. Une particule ayant plusieurs options de désintégration se désintègre plus vite que si elle a peu de choix. La largeur donne des renseignements très précieux. Par exemple, la mesure de la largeur de la particule Z au LEP (précédent grand accélérateur du CERN qui a été remplacé par le LHC) a permis de déterminer combien il existe de types de neutrinos différents.

Démarrage

Lorsque l'application est chargée, le premier des événements disponibles s’affiche. Les traces appartenant à cet événement sont répertoriées dans le tableau des traces qui se trouve au milieu de l'écran. Les deux points de vue montrent une vue de face et une vue de côté du détecteur ATLAS. Juste à côté, vous trouverez vos histogrammes pour les traces sélectionnées (vide pour l'instant). Le tableau des masses invariantes dans la partie inférieure de l'application dresse la liste des traces que vous avez sélectionnées avec leur masse invariante (aussi vide pour l'instant).

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HYPATIA web application

Vous pouvez interagir avec l'application en utilisant les boutons et les commandes qui sont disponibles. Il est aussi possible de cliquer sur les tableaux pour mettre en évidence une trace en particulier, ou de cliquer sur le détecteur pour choisir une trace à afficher.

Insérer une trace

Le but est de vous permettre de reconstruire un boson Z à partir de ses produits de désintégration, soit une paire de muon et antimuon ou une paire d’électron et positron. Vous devez d’abord identifier quelles traces sont des muons et quelles traces sont des électrons. Puis il vous faut insérer la trace sélectionnée dans le tableau de masse invariante en indiquant s’il s’agit d’un électron ou positron en cliquant sur le bouton "Insérer un électron", ou s’il s’agit d’un muon ou antimuon en cliquant sur le bouton "Insérer un muon".

En cliquant sur le bouton approprié, la trace sélectionnée est copiée dans le tableau des masses invariantes. Lorsque deux traces compatibles (soit les deux traces d'électrons ou les deux traces de muons) sont insérées pour un même évènement, le programme calcule leur masse invariante automatiquement.

On peut obtenir un boson de Higgs en combinant deux bosons Z. On peut donc former un boson de Higgs à partir de quatre électrons, quatre muons ou deux électrons et deux muons. Vous pouvez seulement insérer quatre traces pour chaque événement et chaque trace ne peut être utilisée qu'une seule fois. Vous pouvez supprimer une trace en la sélectionnant et en cliquant sur le bouton "Supprimer la trace".

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Insérer un circuit comme electron ou comme muon

Les histogrammes contenant les traces qui sont insérées dans le tableau de masse invariante sont également mis à jour automatiquement. Lorsque vous cliquez sur une trace dans le tableau de masse invariante, l'événement correspondant est automatiquement chargé et la trace est sélectionnée à la fois dans le tableau des traces et sur les deux vues du détecteur.

Zoom

Vous pouvez modifier le niveau de zoom pour avoir une meilleure vue sur les traces. Cela peut être fait en faisant glisser le curseur de zoom. Chaque vue peut être agrandie séparément au niveau désiré.

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Zoom niveau selection

Le zoom peut être très utile dans les événements avec un grand nombre de traces qui se chevauchent. N’oubliez pas que vous pouvez réduire le chevauchement de traces en augmentant le seuil de sélection.

Pour découvrir des particules

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Histogram des Z boson décompositions

Lorsque plusieurs traces correspondant à un type de désintégration de particules ont été sélectionnés, vous pouvez déterminer la masse et la largeur de la particule qui les a produites en se désintégrant. Dans l’exemple suivant, nous avons des bosons Z se désintégrant en paires de muons.

Options

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En appuyant sur le bouton avec la flèche pointant vers le bas, vous pouvez effectuer diverses tâches:

Importer le tableau des masses invariantes : ceci importera un fichier du disque dur local contenant les valeurs du tableau des masses invariantes d’une session précédente. Cela peut être utile pour poursuivre l'analyse des événements d’une session précédente sans avoir à recommencer depuis le début.

Exporter le tableau des masses invariantes : ceci enregistrera les valeurs actuelles du tableau dans un fichier sur le disque dur local. Ce fichier pourra être importé dans l'application à un moment ultérieur pour continuer l'analyse.

Enregistrer les histogrammes : sauvegarder un histogramme dans un fichier image.

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Traces courbes. Cette option affiche la fenêtre de mesure de champ magnétique. De plus, les traces de la vue XY du détecteur sont affichés avec une courbure réaliste qui est créé par le champ magnétique qui existe au centre du détecteur. L'utilisateur sélectionne une trace, puis reprend 3 points sur elle par un clic droit sur ​​eux. Ce calcule le rayon de courbure qui correspond à ces points et de ce que l'intensité du champ magnétique qui est automatiquement inséré dans le tableau. Le haut de la fenêtre affiche la valeur moyenne de l'utilisateur mesures, les deux coupes pT (inférieure et supérieure) et le bouton qui affiche le menu pour calculer le champ magnétique et la gestion du contenu de la table. Il permet également à l'utilisateur d'importer/exporter les mesures de la table.

Mode Démo automatiquement parcourt les événements du groupe actuellement sélectionné.

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Les options vous permettent de sélectionner les couleurs et les largeurs de tous les objets qui sont affichés sur les vues du détecteur. De plus, le seuil (cut) de ETMiss. De cette façon, vous pouvez personnaliser l'application selon vos goûts ou souligner un détail d'important.

Composantes du détecteur

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Subdétecteurs et des particule interactions correspondantes

Une particule traversant le détecteur ATLAS rencontre sur sa trajectoire plusieurs sous-détecteurs dans l’ordre suivant:

• le détecteur interne (seules les particules y chargées laissent une trace)

• le calorimètre électromagnétique (les électrons et les photons y déposent toute leur énergie, les autres une toute petite partie seulement)

• le calorimètre hadronique (les protons, neutrons, pions et autres particules composées de quarks (la famille des hadrons) y laissent toute leur énergie)

• le système des aimants (courbent la trajectoire de toutes les particules chargées)

• le spectromètre à muons (seuls les muons atteignent ces couches externes du détecteur et y laissent un signal).

Vous trouverez sur la figure ci-dessus la signature distinctive des différentes particules. Ce schéma montre de façon simplifiée comment chaque type de particules interagit dans les différentes couches du détecteur. Les particules neutres ne laissent un signal que dans les calorimètres, donc il n'y a pas de traces dans le détecteur interne. D'autre part, les neutrinos sont «invisibles», ils ne laissent ni traces ni signaux dans les différentes couches du détecteur. La seule façon de "deviner" leur présence est en calculant l'énergie ou l’impulsion transversale manquante de l’événement global.

L’impulsion transversale pT

Histogram of Z boson decays

Elle correspond à la quantité de mouvement dans le plan perpendiculaire aux faisceaux. Cette composante de l'impulsion est appelée impulsion transversale (pT). Les particules massives sont souvent produites avec une grande quantité de mouvement transversale..

La masse invariante

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ATLAS données de la recherche pour une Higgs particule se décomposant à quatre leptons. L arrière plan averée expectée est en rouge. Les données sont les points noirs ( en entier évidemment) et trois sommets différents montrant comment une particule Higgs signal ressemblerait en trois masses différentes sont montrés. Le sommet en bleu est en 125 GeV, avec les trois événements isolés observés.

La masse invariante est aussi appelée la "masse au repos", et est caractérise chaque particule. Selon la théorie de la relativité, la masse invariante est une quantité qui ne change pas avec la vitesse ou le cadre de référence, d’où son nom. Si les unités sont choisies de manière à ce que la vitesse de la lumière soit égale à un, c = 1, alors la masse invariante est définie ainsi :

où E est l'énergie et p = mv est l'impulsion de la particule (sa masse m fois sa vitesse v). On reconstruit la masse invariante d'une particule à partir de ses produits de désintégration. Il faut mesurer l'énergie et la quantité de mouvement de chaque particule émergeant de cette désintégration, puis additionner toutes leurs énergies et leurs quantités de mouvement.

E = E1 + E2 + E3+ ...

Si vous êtes à la recherche d'une particule, il vous faudra trouver plusieurs évènements contenant cette particule pour vous convaincre de son existence. La masse invariante reconstituée devra être similaire pour tous ces évènements s’ils proviennent tous de la désintégration de la même particule. Donc si vous faites un histogramme montrant la répartition des masses pour divers évènements, vous verrez un pic autour de la masse de la particule.