Université Libre de Bruxelles Physique des Particules Elémentaires

Vrije Universiteit Brussel Fysica van de Elementaire Deeltjes

Cours

Mémoires de Licence

Laboratoires PHYS-F301 BA3

Laboratoires PHYS-F312-313 BA3

Coordination PHYS-F312-313 BA3

Stages BA3

Thèses De Doctorat

ULB - Service de Physique des Particules
Sujets de mémoire

Expérience Amanda/Ice3

• Pr. Daniel Bertrand, daniel.bertrand@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.13
• Othmane Bouhali, obouhali@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.25

Le détecteur AMANDA est un téléscope à neutrinos enfoui dans la glace de l'Antarctique. Les neutrinos sont détectés par la mise en évidence des muons émis lors de leur interaction avec la matière de la terre. Il est mis en oeuvre par une collaboration internationale regroupant une centaine de physiciens issus de laboratoires américains et européns.

L'étude des neutrinos d'origine galactique et extra galactique ouvre un nouveau champ d'investigation dans le domaine cosmologique (recherche de la matière noire, mécanisme d'accélération des rayons cosmiques, information sur les noyaux actifs des galaxies, rayonnement des trous noirs, tests de modèles cosmologiques, dimensions spatiales supplémentaires...).

Mémoires

• Recherche de neutrinos de haute énergie d'origine ponctuelle

  Le travail consiste à analyser les données recueillies par le détecteur dans le but de sélectionner des neutrinos de haute énergie dans un bruit de fond important résultant de l'interaction du rayonnement cosmique dans l'atmosphère terrestre. Les observations seront confrontées à différentes prédictions théoriques modélisées pour le détecteur par la méthode de Monte-Carlo. Le mémoire comporte donc à la fois une partie consacrée à l'analyse expérimentale des données et une partie consacrée à leur interprétation phénoménologique.

• Saisie, transfert et synchronisation des données de l'expérience

  Le travail consiste à concevoir et à réaliser un système d'acquisition des signaux émis par les photomultiplicateurs de l'expérience. Le système sera basé sur des éléments de logique digitale programmable et sur une horloge universelle GPS. Le développement se fera à la fois au niveau électronique et au niveau informatique (temps réel). Une interface réseaux devrait être réalisée. Des tests seront concus pour déterminer la pertinence des solutions proposées.

Expérience CMS

• B. Clerbaux, bclerbau@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.14
• G. De Lentdecker, Gilles.De.Lentdecker@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.24
• T. Mahmoud, tmahmoud@ulb.ac.be, tél.: 02/629.38.98
• P. Marage, pmarage@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.26
• C. Vander Velde, Catherine.Vander.Velde@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.08
• P. Vanlaer, pvanlaer@ulb.ac.be, tél.: 02/629.38.98

La collaboration CMS construit l'un des détecteurs qui fonctionneront auprès du collisionneur de protons LHC du CERN. Le LHC entrera en service en 2007 avec une énergie de 14 TeV dans le centre de masse. Le LHC a pour buts principaux la découverte du boson de Higgs et la recherche d'une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Le groupe de l'ULB-VUB contribue à la construction du détecteur de traces et à la préparation de plusieurs analyses physiques.

Préparation à la prise de données - Dimensions supplémentaires.

Le groupe de l'ULB se concentre sur les processus impliquant une paire d'électrons ou de photons de très haute énergie dans l'état final, qui pourraient être l'indication d'une nouvelle physique au delà du Modèle Standard, en particulier dans le contexte de dimensions spatiales supplémentaires compactifiées. L'existence de telles dimensions permettrait de résoudre le problème de hiérarchie des échelles d'énergie, en redéfinissant l'échelle de Planck à une valeur proche de l'échelle électrofaible ($\sim 100$ GeV), la gravitation étant ``diluée" dans les dimensions supplémentaires. En conséquence, une série d'états excités pourrait se manifester à 4-dimensions sous la forme de modes de Kaluza-Klein pour les gravitons et les bosons de jauge γ, Z, W et g, à des masses accessibles au LHC.

Mémoires

• Physique au-delà du Modèle Standard: identification des gravitons liés aux dimensions supplémentaires au LHC.

  Le travail se situe dans le contexte de recherche de gravitons lourds au LHC. Il consistera en la mise au point de méthodes d'identification des nouvelles particules massives éventuellement produites, en particulier par la mesure des distributions angulaires des produits de désintégration et la mesure du spin de la particule: distributions attendues, effets du détecteur, sensibilité à la masse de la particule, possibilité de distinguer entre spins 0, 1 et 2.

• Physique du Modèle Standard: étude du processus de Drell-Yan à haute énergie dans CMS.

  Le travail porte sur l'étude du processus de Drell-Yan: $q \bar{q} \to e^+ e^-$ à haute énergie au LHC, afin de fournir des tests du Modèle Standard, et éventuellement de permettre la découverte d'une nouvelle physique. Il consistera à estimer la sensibilité de l'expérience CMS à ce processus dès le début de la prise de données. Le travail se composera de deux parties: d'une part, les effets des distributions cinématiques des quarks et gluons dans les protons et les effets des corrections d'ordre supérieur, d'autre part, les effets liés au détecteur (acceptance, efficacité), afin d'extraire une mesure de la section efficace du processus à haute énergie.

• Physique du Modèle Standard: étude des événements avec des jets à grande impulsion transverse.

  Les événements avec des jets de particules dans l'état final seront produits en abondance au LHC et leur compréhension et leur contrôle seront décisifs pour toute analyse des données. De plus, la production de jets à grande impulsion transverse permettra de tester la chromodynamique quantique à haute énergie. Le travail consistera en a compréhension de la dynamique QCD du processus (effets des distributions de partons, effets des ordres supérieurs, algorithmes de reconstruction des jets), et en l'étude des effets de mesure liés au détecteur.

• Interaction des électrons avec la matière: caractérisation des gerbes électromagnétiques à très haute énergie dans CMS.

  Grâce à la haute énergie disponible dans le centre de masse, la production d'électrons et de photons à des énergies de l'ordre du TeV sera possible pour la première fois au LHC. Les canaux concernés ouvrent la porte vers de nouveaux tests du Modèle Standard et vers une nouvelle physique, à condition de bien comprendre l'interaction de ces particules très énergétiques avec la matière. Le travail proposé consiste en l'étude du développement des gerbes électromagnétiques à haute énergie (largeur, longueur, fluctuations) dans le détecteur éléctromagnétique de CMS, ainsi que de l'influence de la présence du détecteur de traces sur le développement des gerbes.

Expérience H1

• L. Favart, lfavart@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.07
• P.Marage, pmarage@ulb.ac.be, tél.: 02/629.32.26

Le contexte général est l'étude des interactions entre quarks et gluons (interactions fortes) et, en particulier, de la diffraction hadronique. Les travaux proposés utilisent des données récentes d'interactions électron-proton à haute énergie de l'expérience H1 à DESY (Hambourg).

Mémoires

Le groupe de l'ULB s'est spécialisé, au sein de la Collaboration H1, dans l'étude des interactions "diffractives" pour lesquelles, malgré la violence de l'interaction, le proton n'a pas été brisé. L'analyse de ces événements permet de mieux comprendre la dynamique interne et de préciser le domaine d'application de la chromodynamique quantique (QCD).

La diffraction constitue une généralisation de la diffusion élastique propre aux interactions fortes. Elle est directement reliée aux fondements de la mécanique quantique (théorème optique, limite d'unitarité à très haute énergie). Son interprétation dans le cadre de QCD constitue donc une dimension fondamentale de notre compréhension du Modèle Standard.

Lors des interactions électron-proton diffractives, le photon virtuel échangé connaiit une fluctation quantique en une paire quark-antiquark, qui à son tour interagit avec le proton sans échange de couleur, par l'intermédiaire de deux gluons.

• Mesure des correlations en impulsion entre gluons dans le proton

  Après l'interaction diffractive, la paire quark-antiquark se recombine pour reformer un photon réel, mesuré dans le détecteur. Malgré sa très petite section efficace, l'intérêt de ce processus est de permettre un calcul théorique exact grâce à la simplicité de son état final. Sa confrontation avec les données donne accès aux paramètres des deux gluons échangés. A son tour, ceci peut-être relié aux correlations entre gluons dans le proton.
  

  Travail à effectuer :
  - sélection des événements ( $e + p \rightarrow e + p + \gamma$) collecté en 2006.
  - étude de l'acceptance et des bruits de fond au moyen de simulations par Monte Carlo
  - caractéristiques de la production et confrontation avec les prédictions de QCD
  

  Travail bibliographique : bases de QCD, densités de quarks et de gluons, approches QCD de la diffraction, calcul de la section efficace du processus.

• Formation de jets de particules à grande impulsion transverse

  A la différence du sujet ci-dessus, on s'intéresse ici au cas où les deux quarks de la paire sont émis à grande impulsion transverse l'un par rapport à l'autre, et forment deux jets de particules bien séparés. Par le principe d'incertitude, ces grandes impulsions transverses correspondent à de petites distances, ce qui permet de sonder la structure gluonique de l'interaction diffractive.

  Travail à effectuer :
  - sélection des événements diffractifs contenant deux jets
  - mise en oeuvre d'algorithmes de reconstruction de jets
  - confrontation avec les prédictions théoriques
  - bibliographie : bases de QCD, densités de quarks et de gluons, approches QCD de la diffraction, résutats sur la production de jets dans les interactions électrons-protons.

Etude des oscillations de neutrinos

• Pierre.Vilain@ulb.ac.be, 02.629.32.16, VUB 0G-115
• Gaston.Wilquet@ulb.ac.be, 02.629.32.27, VUB 0G-119

Depuis peu, et par le biais des expériences d'oscillation, il est admis que les neutrinos sont massifs et qu'il y a mélange quantique entre les états propres de la masse et de l'interaction faible. Le secteur des neutrinos du modèle standard des particules et interactions reste cependant des plus mal connu. Quelles sont les valeurs des masses, qui sont en tout cas inférieures d'un facteur $5 \times 10^5$ à celle de l'électron ? Que sont les paramètres du mélange quantique? Les neutrinos sont-ils des particules de Dirac comme les autres fermions, et donc existe t'il des neutrinos stériles, sans interaction avec la matière, ou sont-ils leur propre antiparticule (neutrino de Majorana)?

L'expérience OPERA a pour but d'étudier l'oscillation de neutrinos de type mu ($\nu_{\mu}$) en neutrinos de type tau ($\nu_{\tau}$) par l'observation directe d'interactions de $\nu_{\tau}$ dans une cible à très haute résolution spatiale. L'installation du détecteur dans le laboratoire souterrain construit sous le Gran Sasso,en Italie, sera terminée en 2006, moment où le faisceau de $\nu_{\mu}$ issu du SPS du CERN entrera en fonctionnement. La distance disponible pour le développement des oscillations entre source et détecteur est d'environ 730 km. L'expérience sera menée à terme après cinq ans de prise de données.

Mémoires

• Etude de la détection des $\nu_{\tau}$ dans OPERA.
  Optimisation, par des méthodes de simulation, des processus d'analyse des événements : localisation des interactions, reconstruction cinématique, sélection topologique et cinématique, réduction du bruit de fond.

• Estimation de le sensibilité d'OPERA au canal d'oscillation $\nu_{\mu} \leftrightarrow \nu_e$.
  Ce canal n'est pas celui pour lequel le dispositif expérimental a été optimisé. De plus, la contamination à la source du faisceau de $\nu_{\mu}$ en $\nu_e$ n'est pas négligeable comme dans le cas des $\nu_{\tau}$. Néanmoins, il est utile d'estimer le potentiel d'OPERA pour l'étude de ce canal qui est important pour la détermination des paramètres de mélange. Les expériences spécialement conçues pour l'étude de ce canal ne seront pas opérationnelles avant longtemps.

• Détection des muons cosmiques dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso.
  Les plans des traceurs à barreaux de scintillateur d'OPERA sont aujourd'hui installés. Ils permettent d'étudier le flux de muons cosmiques traversant la montagne et de le comparer aux prévisions des modèles et aux mesures déjà effectuées par d'autres appareils.