Vous étudierez des collisions dans lesquelles des paires de muons sont observées parmi d'autre particules et
sélectionnerez celles
qui correspondent à des J/Ψ (mesons charme-anticharme). Pour chacune des collisions sélectionnées, vous
calculerez la "masse invariante" du candidat J/Ψ correspondant. Finalement vous étudierez la distribution de cette
«masse invariante» en construisant un histogramme.
Prérequis
Lorsqu'une collision de protons se produit au centre de CMS, elle crée et éjecte des particules qui traversent les
détecteurs de CMS et peuvent ainsi être suivies à la
trace. C'est ce qu'on appelle un «événement».
Certains de ces événements peuvent contenir des particules J/Ψ. La question est : «comment peut-on le
savoir ?». Et c'est ici que vous intervenez !
Pour vous aider, voici quelques explications. Lorsqu'une particule J/Ψ se désintègre, elle produit typiquement une
paire de muons. Regardez ATTENTIVEMENT les deux images ci-dessous. Elles représentent chacune un événement.
L'un d'eux contient-il une paire de muons (un muon est représenté par une trace rouge) ? Pourrait-il contenir un
candidat J/Ψ ? Quels sont les indices qui vous permettent de trancher ? Sont-ils peu ou très convaincants ? Quel est votre
degré de certitude ?
Un événement doit réussir deux tests pour être considéré comme un candidat J/Ψ. Vous
évaluerez le niveau de réussite pour ces deux tests. En collaboration avec les professeurs et encadrants, vous
déterminerez quel poids attribuer à chaque test pour former une notation finale pour chaque événement.
Par binôme, vous étudierez et évaluerez 100 événements. Vous enregistrerez les résultats
de vos notations dans un formulaire préparé à cette fin.
Les deux tests à prendre en considération dans votre systême de notation sont les suivants.
Test 1: Charges opposées
Pour être un candidat J/Ψ, l'événement doit contenir les traces de deux muons de charges électriques
opposées.
- Si les deux traces se courbent dans le même sens à l'intérieur de l'aimant solénoïdal
(logé dans la partie de détecteur appelée «HCAL Outer»), cela signifie que les
charges des particules correspondantes sont de même signe et donc qu'elles ne proviennent pas de la
désintégration d'un J/Ψ. (Selon ces informations, quelle est la charge d'un J/Ψ ?)
Note: La vue «x-y» permet de déterminer efficacement les charges des particules. Les autres vues peuvent
être trompeuses.
Si l'événement ne passe pas le test de la charge, il ne correspond très probablement pas à un
J/Ψ. Attribuez lui na note «0».
Test 2: Qualité des traces des Muons
Si deux muons passent le test «charges opposées», évaluez la probabilité que l'événement soit un
J/Ψ en utilisant la qualité des traces des deux muons. Si plus de deux muons sont observés, utilisez la paire de
muons de charges opposées ayant les meilleures traces. Voici quelques critères de qualité.
- La trace est associée à une trace «global muon». (Note : La trace des muons peut être
reconstruite dans différents détecteurs de CMS. Si la trace et reconstruite dans la partie interne de CMS
(le trajectographe ou tracker en anglais), on l'appelle «tracker muon». Si elle est reconstruite dans la
partie externe de CMS (les chambres à muons), on l'appelle «stand-alone muon». Finalement, si elle
est reconstruite dans sa totalitè, on l'appelle «global muon»).
- La trace présente de multiples points d'impact dans les chambres à dérive (DT), les chambres à
plaque résistive (RPC) ou les chambres à lignes cathodiques (CSC). Ces derniers sont tous des détecteurs
de CMS et les trajectoires des muons à l'extérieur du solénoïde sont calculées à partir
des signaux laissés dans ces détecteurs.
- La trace n'est pas étroitement associée à un jet de particules (représenté par un cône
dans le logiciel de visualisation).
Notez que vous devrez manipuler le logiciel de visualisation et cocher ou décocher les cases permettant de visualiser les
détecteurs tels que les CSC, DT... pour mieux comprendre les traces de muons. Assurez vous d'ouvrir la fenêtre du
programme de façon suffisamment large pour voir les boutons du panneau de gauche.
Éléments d'un candidat J/Ψ
Avant de commencer
Si vous n'êtes pas familier avec le logiciel de visualisation
iSpy Online,
suivez l'introduction ou demandez de l'aide à votre encadrant ou professeur.
Évaluez les candidats J/Ψ
Utilisez les indices présentés ci-dessus pour évaluer les candidats J/Ψ. Appliquez ce que vous venez
d'apprendre de façon rigoureuse et constante. Attribuez une note aux candidats J/Ψ, sur une échelle 0-3 en
vous aidant du logiciel de visualisation :
0 - AUCUNE CHANCE
1 - PEU DE CHANCE
2 - POSSIBLE
3 - CERTAIN
notes de chaque événements Entrez les dans la feuille de calcul.
Le calcul de la masse, la deuxième partie de cet exercice, sera rendu possible dans la feuille de calcul lorsque les notes
seront entrées.
En cas d'anomalie ou de difficulté, consultez les autres élèves, les professeurs et les encadrants pour
produire une notation la plus cohérente possible.
Test de cohérence générale
Comptez les événements pour chaque score et comparez vos résultats avec les autres groupes.
Si les résultats sont très différents, demandez-vous
si un groupe ne devrait pas modifier la méthode appliquée pour obtenir ses
résultats.
Des données supplémentaires
Si vous avez terminé vos 100 événements, commencez un nouveau lot. Il y a 2000 événements
et plus vous en traiterez, meilleurs seront vos résultats.
Résultats
Le groupe entier travaille, pour cette partie des Masterclass CMS, sous la direction des encadrants.
- Décidez quels événements utiliser pour construire l'histogramme de masse. Par exemple, ne
retenez que les événements notés «3» ou ceux notés «2 ou 3»...
- Utilisez la feuille de calcul pour extraire les masses calculées pour les
événements sélectionnés.
- Produisez un histogramme de la masse des candidats sélectionnés. Pour cela, nous vous proposons trois
possibilités :
- Utiliser le logiciel interactif en ligne
Shodor.
- Créer un histogramme dans Excel (vous trouverez une aide en anglais
ici)
- Dessiner l'histogramme à la main directement au tableau.
- Recommencez les étapes 2 et 3 avec une nouvelle sélection d'événements pour tenter
d'améliorer l'histogramme.
- Enregistrez le meilleur histogramme obtenu.
- Discutez les résultats obtenus, les contributions de chaque groupe et les interprétations.
Activités supplémentaires :
- Utilisez votre feuille de calcul et calculez les « masses invariantes » de paires
de muons non corrélés. Une bonne méthode pour cela est d'utiliser des paires construites avec
le second muon d'un événement et le premier de l'événement suivant. Avec cette méthode,
vous sélectionnerez des paires de muons qui, clairement, ne proviennent de la désintégration d'aucune
particule. Faites un histogramme avec les masses de ces « paires non corrélées » et comparez le
avec l'histogramme de masse obtenu pr&eacte;cédemment.
- Comptez et évaluez les événements contenant des muons à partir du
monitorage en ligne de CMS
lorsque le faisceau du LHC produit des collisions.
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