Le parcours Z
- Présentation du boson Z
- Présentation du boson de Higgs
- Identification des particules
- Détecteur ATLAS
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- Visualisation avec HYPATIA
- Visualisation des traces laissées par les particules
- A vous de jouer !
- Identification des événements
- Utiliser la masse pour chercher et découvrir des particules
- Au travail !
Ressources
Identification des particules
Pour analyser les collisions proton-proton affichées par HYPATIA, vous devez savoir comment identifier les différents types de particules. Dans cette section, vous allez apprendre à reconnaître les électrons (et positrons), les muons (et antimuons), les photons, les neutrinos et aussi d'autres particules plus compliquées comme les hadrons (famille à laquelle appartiennent les protons) qui sont en général produits sous forme de jets de particules.
Cliquez sur les différents icônes pour voir comment identifier les électrons, les muons, les photons, les neutrinos et les jets.
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Voici la signature d'un électron. La particule a laissé une trace (rouge) dans le détecteur interne (elle porte donc une charge électrique non nulle) et a dissipé toute son énergie dans le calorimètre électromagnétique puisque c'est la seule zone dans laquelle vous voyez des dépôts – les petites boîtes jaunes à l'intérieur des zones vert-pâle qui représentent le calorimètre électromagnétique. Puisque le calorimètre hadronique et les chambres à muons sont vides, cette particule était soit un électron soit un positron.
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Vue en coupe du même événement. La trace laissée dans les trois détecteurs internes ainsi que les petites boîtes jaunes marquant les dépôts d'énergie dans le calorimètre électromagnétique sont clairement visibles.
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La vue de côté montre les mêmes éléments. Si vous combinez mentalement les deux vues en coupe vous obtiendrez une représentation de cet événement dans l'espace. C'est un excellent entrainement pour votre esprit.
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Comment savoir s'il s'agit d'un électron ou d'un positron ? Dans la barre d'outils d'HYPATIA vous trouverez un bouton en forme de main avec l'index levé. Appuyez dessus puis sélectionnez une trace sur l'image de l'événement (également en cliquant dessus). Des informations apparaissent alors dans la fenêtre en bas à droite. Parmi les données disponibles, vous trouverez par exemple les valeurs mesurées des trois composantes spatiales de l'impulsion (Px, Py, Pz) ainsi que celle de l'impulsion transverse (PT). L'image suivante vous donnera plus d'informations sur cette fenêtre.
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Le signe de la quantité PT (négative dans cet exemple) renseigne sur la charge électrique portée par la particule qui a laissé cette trace. Une valeur négative signifie que la particule est chargée négativement. Une valeur nulle ou positive signifie que la particule a une charge électrique positive. Nous pouvons donc maintenant affirmer que la particule de notre événement est un électron.
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Cette image montre une trace (orange) dans le détecteur interne, de faibles dépôts d'énergie dans les calorimètres électromagnétique et hadronique (représentés par les petites boîtes jaunes dans les zones en vert pâle et en rouge) et dans les chambres à muons (orange). Il s'agit d'un muon (ou d'un anti-muon) car c'est la seule particule observable qui peut traverser tout le détecteur et ainsi donner des signaux dans toutes ses couches.
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Dans cette vue agrandie vous pouvez voir très clairement les traces oranges laissées dans les chambres à muons.
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Sur cette vue de côté les traces laissées dans les chambres à muons sont représentées par des croix oranges. Toutes ces croix sont reliées par une ligne orange pointillée qui représente la trajectoire suivie par la particule.
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Muon ou anti-muon ? La même procédure que pour l'identification électron/positron permet de répondre à la question. Sur cette image on voit un muon (charge électrique négative).
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Beaucoup de traces chargées (lignes bleues) sont visibles dans le trajectographe interne pour cet événement. Il y a aussi des dépôts d'énergie dans le calorimètre électromagnétique ; ils sont représentés par les boîtes jaunes à l'intérieur de la zone vert pâle délimitant le calorimètre. Si vous sélectionnez la fenêtre " Physics Objects ", vous verrez qu'elle contient deux objets reconstruits qui correspondent aux deux tours jaunes dans les vues de l'événement. Une étude plus approfondie est nécessaire pour voir si cet événement contient deux électrons ou deux photons.
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La plupart des traces disparaissent si l'on impose une coupure à 5 GeV sur leur impulsion transverse pT. La seule trace restante ne pointe pas en direction des tours jaunes. On est donc en présence d'un événement di-photon puisque l'énergie importante déposée dans deux zones du calorimètre n'est associée à aucune trace de grande impulsion transverse.
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En zoomant sur la vue de côté on peut apercevoir les deux accumulations de dépôts d'énergie (boîtes jaunes) dans le calorimètre électromagnétique : ils sont situés en haut à droite et en bas vers le milieu du calorimètre.
Deux objets reconstruits sont visibles dans la fenêtre "Physics Objects". Les images précédentes nous ont montré que ce ne sont ni des électrons ni des positrons : ce sont donc probablement des photons. Cliquez sur les objets et sélectionnez les comme photons.
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Comment reconnaître un neutrino ? Les neutrinos n'interagissent avec aucun composant du détecteur ATLAS : ni le trajectographe, ni les calorimètres, ni les chambres à muons. Alors, comment peut-on détecter quelque chose que l'on ne voit pas ? Comme tous les quarks et tous les gluons des protons se déplacent le long de l'axe des faisceaux avant la collision, les composantes de leurs vitesses dans les directions perpendiculaires (et donc l'impulsion transverse globale) sont nulles. Par conservation de l’impulsion, l’impulsion transverse totale (la somme vectorielle des impulsions transverses de toutes les particules) est également nulle après la collision. Si les mesures sont en désaccord avec cette loi pour un événement donné, trois hypothèses sont possibles. 1) Des particules invisibles pour le détecteur ont été produites (par exemple un ou plusieurs neutrinos qui emportent exactement l'impulsion transverse manquante). 2) Des particules transportant une partie de l'impulsion transverse totale traversent ATLAS sans être détectées. 3) ATLAS ne réalise pas de bonnes mesures.
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Dans le détecteur ATLAS, l'impulsion transverse manquante est calculée à partir de l'énergie déposée dans les calorimètres. Lorsqu'il apparait un déséquilibre dans le bilan énergétique -- de l'énergie transverse manquante (ET Manquante), on peut penser qu'un neutrino a été produit lors de la collision. Il y a deux manières de voir cela dans HYPATIA : 1) en regardant la valeur ET "manquante" dans la zone en haut à droite de l'image et entourée d'un cadre gris ; 2) au moyen de la ligne pointillée rouge dans la vue de côté. Cette ligne indique la direction dans laquelle l'énergie manquante est partie. De plus, l'épaisseur du trait renseigne sur la valeur de cette énergie transverse manquante.
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Cet événement montre principalement un électron et un neutrino. Comme ces particules sont en gros les deux seules qui ont été produites, l'impulsion transverse totale se partage entre elles à cause de la loi de conservation de l'impulsion. C'est pourquoi le neutrino et l'électron s'éloignent l'un de de l'autre dans des directions presqu’opposées. L'énergie transverse manquante est calculée par le logiciel de visualisation et indiquée dans la direction de son impulsion transverse. Par convention, une ligne rouge en pointillés épais indique toujours la présence d'une ou plusieurs particules invisibles, en particulier des neutrinos. Des impulsions transverses manquantes plus faibles (de l'ordre de 10-20 GeV, matérialisées par des lignes rouges en pointillés fins) peuvent être dues aux incertitudes de mesure du détecteur.
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Cet événement montre des "jets". Chaque jet est un agglomérat de nombreuses particules. Celles qui sont chargées électriquement laissent des traces dans le détecteur interne au contraire des particules neutres. Si vous prolongez ces traces vous trouverez beaucoup de dépôts d'énergie dans les calorimètres. D'autre dépôts proches ne peuvent pas être associés à une trace car ils ont été causés par des particules neutres électriquement. En particulier le calorimètre hadronique contient beaucoup de dépôts d'énergie. Cela vient du fait que chaque jet est produit par un gluon, un quark ou un antiquark éjecté par un proton lors de la collision. Pour que ce phénomène se produise il faut beaucoup d'énergie afin de vaincre les forces énormes qui maintiennent la cohérence du proton. Une partie de cette énergie est utilisée pour créer des paires quark-antiquark qui se déplacent toutes à peu près dans la même direction et s'assemblent pour former de nouvelles particules -- les hadrons. Ce sont eux qui génèrent les jets visibles sur cette image et qui ont été surlignés de gris pour être plus facilement reconnaissables.
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N'oubliez pas : les particules qui s'étalent, laissent des traces dans le détecteur interne ainsi que des dépôts dans le calorimètre électromagnétique et surtout dans le calorimètre hadronique proviennent de quarks, d'antiquarks ou de gluons et sont appelées "jets".
