Remarques générales
Vue de gauche: la projection transversale du détecteur, c.-à-d. perpendiculaire aux faisceaux. Ici, seule la partie du tonneau du détecteur ATLAS est visible, pas les bouchons. Par conséquent, les traces pointant vers l’avant apparaissent raccourcies, comme des traces courtes (car elles ne sont pas enregistrées par certaines couches extérieures du détecteur)
Vue de droite: c'est la vue de côté, la projection le long de la direction des faisceaux. Toutes les couches du détecteur ATLAS (baril et bouchons) sont visibles dans cette vue, et toutes les traces y sont enregistrées. La ligne à ρ = 0 cm est le lieu où les protons circulent, donc il n'y a pas de détecteurs à proximité de cette ligne, car ils souffriraient des radiations intenses. Les deux points de vue peuvent être agrandies séparément en utilisant le zoom en-dessous.
EXERCICE I: Se familiariser avec les événements
Naviguez à travers différents événements à l'aide des boutons "évènement suivant", et "événement précédent". A ce stade, observez simplement le nombre de traces par événement et leur répartition dans chaque vue.
Question: Dans laquelle des deux vues peut-on constater la conservation de la quantité de mouvement?
EXERCICE II: Comment distinguer les électrons des muons
Ici, observez les différents types de traces. Les muons devraient atteindre la toute dernière couche du détecteur, les chambres à muons (parties en bleu) dans au moins une des vues. Les électrons devraient s’arrêter dans les calorimètres électromagnétiques (anneau en vert) et y déposer une énergie considérable (dépôts en jaune) dans au moins une des deux vues.
Faites un tableau avec au moins 10 électrons et 10 muons en notant leur numéro d'événement, leur pT, leur charge (que vous trouverez dans la deuxième colonne du tableau de la trace) et leurs angles.
Question: Étudier l'effet du bouton de coupure. Qu'advient-il si vous augmentez le seuil de pT? Expliquez pourquoi.
EXERCICE III: Découverte et reconstruction de la particule Z0 particle
Combiner les produits de désintégration pour vous permettre d'observer et de mesurer les particules qui se sont désintégrées.
Lorsque vous voyez deux ou plusieurs traces de particules dans le détecteur émanant toutes d'un même point que nous appelons "sommet", elles peuvent appartenir à une particule qui s’est désintégrée en produisant ces traces. Afin de vérifier cette hypothèse, calculez la "masse invariante" de la particule initiale et vérifier si ses produits de désintégration proviennent tous du même sommet. En d'autres termes, voyez si les produits de désintégration, les deux muons ou les deux électrons dans notre cas, appartiennent à la désintégration d’un boson Z0 dont la masse est d'environ 91 GeV.
Pour cela, il faut d’abord trouver deux muons ou deux électrons (en suivant les indications de la partie II). Puis utilisez le bouton "Insérer un électron" ou "Insérer un muon" pour les insérer dans le tableau des masses invariantes qui calculera automatiquement leur valeur de masse invariante. Celle-ci apparaîtra sous la colonne mll (l’indice l représente un lepton, le nom de la famille à laquelle appartiennent électrons et muons). Si la masse invariante vient de la combinaison de deux électrons, un "e" apparait dans la dernière colonne, et s’il s’agit d'une combinaison de deux muons, un "μ" sera affiché. Notez que les combinaisons d'un muon et d’un électron ne sont pas autorisées parce qu'elles violent la loi de conservation du nombre leptonique. Vous pouvez également supprimer des traces avec le bouton "Supprimer la trace" et les remplacer par d'autres.
Question 1: Calculer la masse invariante des deux traces en utilisant la formule analytique donnée pour deux particules. Cela peut être fait en copiant les informations de quantité de mouvement dans un fichier Excel. Comparez les résultats avec les chiffres calculés dans le tableau des masses invariantes.
Question 2: Pour reconstruire la masse du Z0 choisissez-vous les traces avec des signes opposés ou ayant le même signe?
Question 3: Comment faites-vous pour distinguer les combinaisons de deux électrons ou de deux muons du bruit de fond?
Question 4: Les valeurs de mll obtenues sont-elles très proches de 91 GeV ? Quel écart maximal pouvez-vous accepter tout en gardant la certitude que vous avez bien affaire à des particules Z0?
EXERCICE IV: Histogrammes - Mesure de la largeur
Faites des histogrammes séparés contenant les masses des Z0 reconstruits à partir de paires d'électrons (en cliquant sur l'onglet histogramme mee) et de muons (en cliquant sur l'onglet histogramme de mμμ) dans le tableau des histogrammes. Notez la valeur moyenne et la valeur moyenne des carrés (RMS) de chaque histogramme.
Question 1:Est-ce que les masses (valeur moyenne) mee et mμμ sont égales?
Question 2:Est-ce que la masse que vous avez déterminée est proche de la valeur nominale de 91 GeV? Regardez dans le Recueil des données des particules (Particle data booklet) ou sur le Web pour voir qu ‘elles sont la masse et la largeur du Z0.
Question 3: Est-ce que les largeurs des électrons et des muons sont les mêmes? La largeur que vous mesurez peut être calculée à partir de la valeur RMS de l'histogramme en utilisant: Γ= 2.35*rms.
EXERCICE V – Découvrez des bosons de Higgs
Les désintégrations du boson de Higgs les plus simples à trouver sont celle où le boson de Higgs se désintègre en deux bosons Z0 Dans ce cas, on peut chercher des évènements contenant quatre muons, quatre électrons ou encore deux muons et deux électrons. Pour ce faire, utiliser le tableau des masses invariantes puis insérer quatre traces. Vous devez sélectionner et insérer dans ce tableau les quatre traces qui vous semblent appartenir à une possible désintégration d’un boson de Higgs. Puis la masse invariante des quatre particules sera calculée dans la colonne mllll. Si vous n'aimez pas la masse invariante d'une combinaison particulière de quatre traces, vous pouvez remplacer une des quatre traces avec une autre. Le tableau se remet à jour automatiquement et vous donne la nouvelle masse invariante sous la colonne correspondante. Si vous avez choisi les bonnes traces, vous verrez alors dans l'histogramme mllll une accumulation d'événements autour d'une masse spécifique, qui est la masse du boson de Higgs.
Question:Quelle doit-être la somme des charges des quatre leptons qui semblent venir d’un désintégration d’un boson de Higgs?
EXERCICE VI - Traitement de grands numeros des événements
En utilizant de grands groupes (composé de milliers) d'événements, étudier les histogrammes et sélectionnez les paramètres appropriés qui vous permettra de séparer le signal (désintégrations du boson de Higgs) à partir defond.