[{"data":1,"prerenderedAt":4},["ShallowReactive",2],{"lesson:fr:74-particle-detectors":3},"\u003Cp>Une théorie physique ne devient connaissance qu'en rencontrant une mesure. En physique des particules, on ne « voit » presque jamais une particule directement. On reconstruit son passage à partir d'ionisation, de lumière, de chaleur et de conservation de la quadrimpulsion. Cette leçon relie le Modèle Standard aux données produites par un détecteur.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Cdiv class=\"key-concept\">\n  \u003Ch4>Événement, signal et bruit\u003C\u002Fh4>\n  \u003Cp>Un \u003Cem>événement\u003C\u002Fem> est une collision enregistrée. Le \u003Cem>signal\u003C\u002Fem> est le processus recherché, le \u003Cem>bruit de fond\u003C\u002Fem> regroupe les autres processus qui produisent une signature semblable. Une découverte exige de modéliser les deux, ainsi que la réponse imparfaite du détecteur.\u003C\u002Fp>\n\u003C\u002Fdiv>\n\n\u003Ch2>Architecture en couches\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Un détecteur de collisionneur entoure le point d'interaction par plusieurs sous-détecteurs complémentaires :\u003C\u002Fp>\n\n\u003Cul>\n  \u003Cli>\u003Cstrong>trajectographe :\u003C\u002Fstrong> mesure les points d'ionisation laissés par les particules chargées ;\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>\u003Cstrong>calorimètre électromagnétique :\u003C\u002Fstrong> absorbe surtout électrons et photons ;\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>\u003Cstrong>calorimètre hadronique :\u003C\u002Fstrong> mesure les gerbes produites par les hadrons ;\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>\u003Cstrong>système à muons :\u003C\u002Fstrong> identifie les particules qui traversent les calorimètres ;\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>\u003Cstrong>aimant :\u003C\u002Fstrong> courbe les trajectoires chargées pour mesurer leur impulsion.\u003C\u002Fli>\n\u003C\u002Ful>\n\n\u003Ch2>Mesurer l'impulsion\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Dans un champ magnétique uniforme, une particule chargée suit approximativement un arc de cercle dans le plan transverse :\u003C\u002Fp>\n\n\u003Cdiv class=\"math-block\">\n  $$p_T\\,[\\mathrm{GeV}\u002Fc]\\approx0{,}3\\,|q\u002Fe|\\,B\\,[\\mathrm T],R\\,[\\mathrm m]$$\n\u003C\u002Fdiv>\n\n\u003Cp>Le sens de courbure donne le signe de la charge. Une grande impulsion produit une trajectoire presque droite, donc une petite erreur sur la courbure peut devenir une grande erreur relative sur $p_T$.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Ch2>Calorimétrie et gerbes\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Un électron ou un photon crée une cascade électromagnétique par rayonnement de freinage et création de paires. Un hadron crée une gerbe nucléaire plus irrégulière. Un calorimètre convertit l'énergie déposée en lumière ou en charge électrique. Une résolution typique s'écrit :\u003C\u002Fp>\n\n\u003Cdiv class=\"math-block\">\n  $$\\frac{\\sigma_E}{E}=\\frac{a}{\\sqrt{E}}\\oplus\\frac{b}{E}\\oplus c$$\n\u003C\u002Fdiv>\n\n\u003Cp>Le symbole $\\oplus$ signifie que les termes indépendants sont additionnés en quadrature. Le premier décrit les fluctuations statistiques de la gerbe, le deuxième le bruit électronique, le troisième les défauts de calibration qui dominent à haute énergie.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Ch2>Identifier les particules\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Aucun sous-détecteur ne suffit seul. Un électron possède une trace et une gerbe électromagnétique. Un photon produit une gerbe semblable sans trace primaire. Un muon laisse une trace puis atteint les chambres externes. Un neutrino ne dépose presque rien : on l'infère par l'impulsion transverse manquante.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Cdiv class=\"key-concept\">\n  \u003Ch4>Impulsion transverse manquante\u003C\u002Fh4>\n  \u003Cp>Les partons initiaux ont une impulsion transverse totale presque nulle. Si la somme vectorielle mesurée n'est pas nulle, l'opposé définit $\\mathbf{p}_T^{\\mathrm{miss}}$. Ce déséquilibre peut indiquer des neutrinos, mais aussi une particule mal mesurée, une zone inactive ou du bruit.\u003C\u002Fp>\n\u003C\u002Fdiv>\n\n\u003Ch2>Reconstruire une résonance\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Si deux particules proviennent de la désintégration d'un parent, la masse invariante reconstruite vaut :\u003C\u002Fp>\n\n\u003Cdiv class=\"math-block\">\n  $$m^2c^4=(p_1+p_2)^2c^2$$\n\u003C\u002Fdiv>\n\n\u003Cp>En répétant l'opération sur de nombreux événements, une particule instable apparaît comme un excès localisé au-dessus d'un fond continu. La largeur observée combine sa durée de vie naturelle et la résolution expérimentale.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Ch2>Déclenchement et sélection\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Un collisionneur produit beaucoup plus d'événements que l'on ne peut en conserver. Le système de déclenchement décide rapidement quels événements enregistrer, par exemple ceux contenant un lepton énergétique ou une grande énergie manquante. Cette sélection crée des biais qui doivent être mesurés dans les données et reproduits dans la simulation.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Ch2>Significativité et incertitudes\u003C\u002Fh2>\n\n\u003Cp>Une fluctuation du fond peut imiter un signal. Dans un comptage simple avec un fond $B$ connu, $S\u002F\\sqrt{B}$ donne une intuition, mais une analyse réelle utilise une vraisemblance qui inclut les incertitudes systématiques, les corrélations, les formes des distributions et l'effet de regard ailleurs. En physique des particules, le seuil conventionnel de découverte est une significativité locale ou globale proche de cinq écarts-types, selon le test annoncé.\u003C\u002Fp>\n\n\u003Ch2>Exercices\u003C\u002Fh2>\n\u003Col>\n  \u003Cli>Calculez $p_T$ pour une particule de charge $e$, dans $B=2$ T, avec $R=1{,}5$ m.\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>Pourquoi un photon et un électron donnent-ils des signatures proches mais distinctes ?\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>Citez deux causes instrumentales d'une fausse impulsion transverse manquante.\u003C\u002Fli>\n\u003C\u002Fol>\n\n\u003Ch2>Points Clés\u003C\u002Fh2>\n\u003Cul>\n  \u003Cli>Les détecteurs reconstruisent les particules à partir de leurs interactions avec la matière.\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>La courbure d'une trace chargée mesure son impulsion transverse et le signe de sa charge.\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>Les calorimètres mesurent l'énergie grâce aux gerbes électromagnétiques ou hadroniques.\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>Les neutrinos sont inférés par un bilan d'impulsion, pas observés directement dans le détecteur.\u003C\u002Fli>\n  \u003Cli>Une découverte combine un modèle du signal, des fonds, de la réponse instrumentale et des incertitudes.\u003C\u002Fli>\n\u003C\u002Ful>\n",1786528188054]