18 décembre 2009
Les expériences du LHC... un mois après

Le 20 novembre, le LHC redémarrait et trois jours plus tard les quatre détecteurs du LHC observaient pour la première fois des collisions proton-proton. Une grande émotion pour les plus anciens qui ont consacré plus de quinze ans à la conception, la construction et la mise en œuvre de ces grandes expériences ; une grande exaltation pour tous, et surtout les plus jeunes qui se sont lancés récemment dans des thèses en espérant analyser les collisions à l’énergie la plus haute jamais atteinte.

Retour sur un mois intense pour la science… et pour les physiciens du LHC.


ALICEATLASCMSLHCbGRILLE DE CALCUL

(Lire ici pour en savoir plus sur le bilan de l’accélérateur.)

Alice

Lors des premières collisions du LHC à l’énergie d’injection (450 GeV par faisceau, soit 900 GeV) le 23 novembre à 17h, l’expérience Alice enregistrait 284 événements avec une fraction de ses sous détecteurs. Un quart d’heure plus tard, les données étaient reconstruites et les premiers résultats de physique s’affichaient sur les écrans d’ordinateurs dès 18h. Le 27 novembre, le premier article scientifique a été envoyé à la revue European Physics Journal C et accepté pour publication trois jours plus tard.

Le 6 décembre dernier, pour la première fois, le LHC produisait des faisceaux stables, autorisant la mise en route des 18 détecteurs d’Alice. Tous les sous détecteurs à la construction desquels ont contribué les laboratoires français du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu (les deux couches externes du système de trajectographie interne, le spectromètre à muons et le calorimètre électromagnétique appelé EMCaL) ont parfaitement fonctionné et les physiciens des laboratoires français se sont immédiatement attelés à l’analyse de la quantité de données fournie par le LHC.

Atlas

Depuis le 23 novembre où Atlas a enregistré ses premières collisions proton-proton, les ingénieurs du Cern se sont attachés à fournir des collisions de plus en plus nombreuses, en restant à l’énergie d’injection. Les étapes nécessaires à la compréhension de cet accélérateur très complexe se sont parfaitement déroulées parfaitement : d’abord un paquet de protons dans chaque sens, puis quatre contre quatre, de plus en plus intenses. Atlas a donc pu enregistrer déjà plus d’un demi million de ces événements.

L’expérience s’était bien préparée à l’aide de systèmes de calibrations, de simulations, mais surtout en ayant enregistré dans l’année plus de 300 millions d’événements dus aux rayons cosmiques. Les analyses des premières collisions ont ainsi pu être réalisées immédiatement. Les physiciens se sont particulièrement attachés aux analyses qui permettent déjà de confirmer le bon fonctionnement des détecteurs et des logiciels, par exemple reconstruire des particules instables très connues, comme les mésons K0S (prononcer K-short) et π0 (pi zéro). Atlas a aussi profité des faisceaux accélérés jusqu’à l’énergie de collisions record de 2,38 TeV, pour enregistrer environ 12 000 événements. Les groupes français du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu sont au cœur de ces premières prises de données et de leur analyse.

CMS

Les performances remarquables du LHC ont permis à l’expérience CMS d’enregistrer ce dernier mois une quantité de données utiles pour l’étalonnage du détecteur. Cette première période a démontré le bon fonctionnement de l’appareillage, la stabilité des prises de données en mode collision du LHC (en dépit de conditions de faisceau instables) ainsi que l’efficacité de la chaine d’analyse des données, du détecteur jusqu’aux équipes de physiciens réparties à travers le monde. Les chercheurs français du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu ont joué un rôle majeur pour la construction, la mise en route du détecteur ainsi que les toutes premières analyses de CMS.

Plus de 400 000 événements de collisions à 0,9 TeV ont été collectés par CMS depuis le 23 novembre. À la fin de la période, les 15 et 16 décembre, CMS a enregistré environs 15 000 événements à 2,36 TeV. Les résultats d’analyse sont parvenus très rapidement après les prises de données. Dès le 26 novembre, CMS observait son premier signal de pions neutres se désintégrant en deux photons. Depuis, CMS a détecté une quantité de particules connues, des mésons neutres essentiellement : le η (eta), également en deux photons ; le K0S, le φ (phi) et le Λ (lambda), en deux particules chargées. Les résolutions en masse et les échelles d’énergie sont en excellent accord avec les prédictions des simulations. Cela indique que le détecteur CMS est d’ores et déjà aligné et calibré avec une bonne précision. Après dix ans d’effort, le démarrage exceptionnel du LHC et la qualité des premières données sont un puissant stimulant pour les physiciens qui attendent désormais avec impatience les collisions à 7 TeV, avec un détecteur et une chaîne de logiciels d’analyse et de traitement des données complètement opérationnels.

LHCb

Ce dernier mois fut également intense pour LHCb. Vers 20h30 le 20 novembre, le détecteur recevait le premier faisceau du LHC. Dès 4h30 le lendemain, une quarantaine d’événements étaient captés par LHCb, résultant de d’interaction du faisceau LHC. Le 23 novembre vers 17h45, LHCb observait ses premières collisions proton-proton. Tous les sous détecteurs en amont de l’aimant dipolaire étaient alors mis en marche et ces toutes premières collisions ont pu être observée dans d’excellentes conditions.

Le 8 décembre, l’ensemble du détecteur est mis sous tension, notamment le très sensible détecteur de vertex ou "VELO" en position proche du faisceau. Installé au voisinage du point de collision, à 1,5 cm du faisceau, c’est le sous détecteur le plus près des collisions de tout le LHC. Le 14 décembre vers 4h, LHCb enregistrait des collisions à l’énergie record de 2,4 TeV (1,2 TeV par faisceau). Les équipes françaises du CNRS/IN2P3, fortement impliquées dans la calorimétrie et le système de déclenchement de l’expérience ont joué un rôle de premier plan dans ces mesures, sous la responsabilité d’Olivier Callot, coordonnateur chargé de l’opération de l’ensemble du détecteur.

Grille de calcul du LHC

Avec le redémarrage du LHC, la grille de calcul a montré qu’elle était fin prête à accueillir, traiter et stocker les données issues de l’accélérateur. Les premières données issues du LHC ont été largement distribuées sur l’ensemble des sites de la grille, constituée de plus d’une centaine de sites répartis partout dans le monde qui ont montré la fiabilité de leur infrastructure. Cette large répartition a permis de mettre à disposition d’un très grand nombre de physiciens des données indispensables à l’étalonnage des détecteurs.

En tant que centre de niveau 1 de la grille du LHC, le Centre de Calcul de l’IN2P3/CNRS (une unité du CNRS, en partenariat avec le CEA/DSM/Irfu) joue un rôle central dans la chaîne de distribution et dans plusieurs des phases de traitement de ces données. De son côté, le CC-IN2P3 a mis à profit l’année 2009, et le démarrage décalé du LHC, afin de renforcer son infrastructure, tant au niveau de la salle machine avec une mise à niveau des systèmes climatique et électrique qu’au niveau informatique, en renforçant par exemple les services les plus critiques en introduisant des redondances là où c’était nécessaire. En parallèle, le CC-IN2P3 conforte son rôle dans le projet en devenant membre des collaborations Atlas, Cms, Alice et LHCb. Cette démarche lui permettra d’être signataire des publications des expériences.

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