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Université Paris Sud - Paris XI (11/10/2010), P. Puzo (Dir.)
Determination of the absolute luminosity at the LHC
S. White1
(11/10/2010)

Les paramètres les plus importants décrivant les performances d'un collisionneur de particules sont l'énergie et la luminosité. Les hautes énergies permettent aux expériences de physique des particules d' étudier de nouveaux effets. La luminosité décrit la capacité du collisionneur à produire le nombre requis d'interactions utiles ou événements. Le Large Hadron Collider (Grand Collisionneur de Hadron) ou LHC a été conçu pour produire des collisions proton proton à une énergie dans le centre de masse de 14 TeV. Cette énergie est la plus haute jamais atteinte jusqu'alors dans un accélérateur de particules. Les connaissances et la compréhension de la physique des particules à de telles énergies sont basées sur des simulations et des prédictions théoriques. Contrairement aux collisionneurs électron positron pour lesquels la section efficace de diffusion de Bhabba peut être précisément calculée et utilisée pour calibrer la luminosité, il n'existe pas de processus ayant une section efficace bien connu et un taux de production suffisant pour être utilisé afin de calibrer la luminosité durant les premières années d'opération du LHC. La luminosité peut aussi être exprimée en fonction du nombre de charges par faisceau et leur taille au point d'interaction. Il est donc possible d'utiliser cette propriété afin de déterminer la luminosité à partir des paramètres machine. La détermination de la luminosité absolue a partir des paramètres machine est une méthode alternative à celle utilisant les sections efficaces et offre des informations complémentaires au modèle de fragmentation. Pour le LHC, il a été proposé d'utiliser la méthode développée par S. Van Der Meer à ISR afin d'offrir une calibration de la luminosité aux expériences de physique des particules durant les premières années d'opération. Cette thèse décrit comment cette méthodea été implémentée et utilisée pour la première fois au LHC afin d'optimiser et de calibrer la luminosité. Des études complémentaires d'optique linéaire et de dynamique faisceau ainsi que des mesures faites pour le collisionneur RHIC sont aussi décrites. Cette étude commence par un chapitre introductif qui reprend les notions de physique des accélérateurs nécessaire à la compréhension des chapitres suivants. Les équations décrivant les mouvements des particules dans un accélérateur circulaire sont rappelées ainsi que les principes de base d'optique linéaire. Des grandeurs caractéristiques du faisceau et de la machine telles que l'émittance ou le tune sont définies. Une brève introduction aux effets faisceau-faisceau est aussi présentée ces derniers étant inhérent aux collisionneurs de particules. Une description plus détaillée du concept de luminosité est donnée. Les équations générales de luminosité en présence d'effets tel qu'un angle de croisement sont dérivées. Enfin différentes méthodes permettant de déterminer la luminosité absolue sont présentées et le choix de la méthode de Van Der Meer pour les premiéres années d'opérations du LHC est expliqué. Le second chapitre se concentre sur la méthode de Van Der Meer. Le principe développé par S. Van Der Meer est décrit et plus particulièrement comment cette méthode offre une mesure directe de l'intégrale de recouvrement, décrivant la région d'interaction des deux faisceaux, sans avoir besoin de connaître les distributions initiales des faisceaux. L'impact des différents effets présentés dans le chapitre1 sur la précision de la mesure sont étudiés analytiquement afin de déterminer les paramètres faisceau optimaux pour une mesure de la luminosité absolue. Enfin une estimation de l'erreur sur la détermination de la luminosité basée sur des études numériques et les spécifications des instruments utilisés durant cette mesure est donnée. Le chapitre 3 présente le LHC et comment les principaux paramètres faisceau ont été choisis afin de délivrer une luminosité de 1034 cm−2 s−1 aux expériences ATLAS et CMS. Quelques dates clé de la mise en route du LHC sont rappelées afin de justifier l'orientation de certaines études présentées dans cette thèse et comment il a été nécessaire de s'adapter au changement de programme de mise en marche du LHC. Les différentes étapes permettant d'accélérer et de mettre les faisceaux en collision à partir de l'injection sont brièvement décrites. Dans le cadre de cette thèse des études concernant plus particulièrement la mise en collision des faisceaux dans le LHC. Des simulations de l'impact sur l'orbite des effets d'hystérésis présents dans les aimants permettant de déplacer les faisceaux au point d'interaction ainsi que la manière dont ceux-ci sont utilisés pour générer l'angle de croisement, la séparation ou l'optimisation des collisions sont décrites. Lors de la mise en collision des faisceaux de nombreux effets liés à la dynamique faisceau et plus particulièrement aux effets faisceau-faisceau entrent en jeux. Des simulations permettant de modéliser ces effets et de comprendre leur impact sur l' émittance ont été réalisées et seront aussi décrites dans ce chapitre. Le chapitre 4 donne une description des divers instruments utilisés lors de l'analyse des données permettant de déterminer la luminosité absolue. En principe, seules les mesures de courant sont nécessaires pour déterminer la luminosité. Des informations complémentaires et qui se sont révélées très utiles par la suite ont été données par d'autre instruments tel que les wire-scanner permettant de mesurer l' émittance ou les BPM permettant déterminer la trajectoire des faisceaux le long de l'anneau. Ces instruments sont donc aussi décrits dans ce chapitre. Enfin, le LHC est équipé de moniteurs de luminosité donc le but est de fournir des signaux robustes grâce auxquels il est possible d'optimiser la luminosité. Ce chapitre se termine donc sur une description détaillée de ces moniteur de luminosité et les simulations qui ont été faites a l'aide du logiciel FLUKA afin de déterminer les performances et l'efficacité de ces moniteurs à haute énergie. Le chapitre 5 présente les résultats des mesures effectuées sur le collisionneur RHIC (relativistic ion collider). Ces mesures ont été effectuées en 2009 alors que le LHC était stoppé suite à l'incident de Septembre 2008. RHIC présente certaines caractéristiques communes au LHC et représente donc un excellent test pour les futures mesures au LHC. La calibration de la luminosité par la méthode de Van Der Meer est aussi utilisée à RHIC, une collaboration avec ce laboratoire a donc été mise en place afin de profiter de l'expérience acquise par le passé dans ce laboratoire. Malgré certains paramètres faisceaux non optimisées pour une mesure de précision de la luminosité absolue il a été possible de déterminer celle-ci avec une précision de 7% dominée par l'erreur sur les mesures de courant et la détermination du déplacement des faisceaux. Une étude détaillée des différentes sources d'erreur ainsi que des propositions pour les réduire lors de futures mesures sont présentées. Les faisceaux du collisionneur RHIC ont un courant élevé ce qui n'est pas optimal pour la détermination de la luminosité absolue mais a permis d'observer certains effets faisceau-faisceau qui n'avaient pas été observé par le passé à RHIC et présentent donc un résultat très intéressant de ce chapitre. Le chapitre 7 présente les résultats obtenus en 2010 au LHC. L'année 2010 a été une année de beaucoup de premères pour le LHC auxquelles j'ai eu la chance de participer. J'ai notamment été impliqué dans l'établissement des premères collisions, les premières optimisations de luminosité. Ces trois contributions sont décrites dans ce chapitre ainsi que les outils développés afin de réaliser ces mesures et plus particulièrement le logiciel d'optimisation et de calibration de la luminosité qui est décrit plus en d étail dans les annexes. Enfin l'année 2010 a aussi vu la première calibration de la luminosité utilisant la méthode de Van Der Meer à 3.5TeV. Le protocole de la méthode est présenté ainsi qu'une étude détaillée des erreurs systématiques associées a cette méhode. Ces premières mesures ont permis de déterminer la luminosité avec une précision de 11% largement dominée par les mesures de courant des faisceaux. Pour terminer, des propositions pour améliorer la précision des futures mesures sont présentées. Le dernier chapitre de cette thèse présente des travaux effectués sur les optiques de beta élevés. Ces optiques ont été développées pour les expériences TOTEM et ATLAS et permettront de mesurer précisément les angles de diffusion élastiques des interactions proton-proton et ainsi déterminer leur section efficace. Cette méthode présente un alternative a la méthode de Van Der Meer et devrait en principe donner une mesure de section efficace avec une précision de quelques pour cents. Ces optiques étant très difficiles ils ne pourront pas être mis en place avant que le LHC atteigne son énergie nominale de 7TeV par faisceau. Des optiques intermédiaires ont donc aussi été développées et sont présentées brièvement dans ce dernier chapitre.
1 :  LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
Physique/Physique des Hautes Energies - Expérience
LHC – Luminosity
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