Soutenance mémoire
HERA, un collisionneur e-p
Description générale HERA (Hadron Electron Ring Anlage1 ) est un collisionneur installé sur le site de DESY (Deutsches Elektronen SYnchrotron) à Hambourg. Il produit des collisions entre un faisceau de protons de 920 GeV et un faisceau d’électrons ou de positrons2 de 27,6 GeV. L’énergie dans le centre de masse des collisions est de 6 GeV et l’impulsion de transfert au carré accessible est de l’ordre de 6 GeV. Les faisceaux sont constitués de paquets d’environ 6 particules séparés de 96 ns. Ils circulent dans deux anneaux indépendants et se croisent dans quatre halls expérimentaux. Les anneaux sont composés de quatre sections droites et quatre sections courbes. La longueur des sections droites est de 360 mètres et le rayon des sections courbes est de 779 mètres. Les anneaux peuvent recevoir jusqu’à 220 paquets chacun mais certains emplacements ne sont pas remplis. Les paquets qui ne rencontrent pas d’autres paquets dans les zones d’interaction, appelés paquets pilotes, permettent d’étudier le bruit de fond dû aux collisions des particules avec les molécules du gaz résiduel dans le tube à vide ou avec les parois du tube à vide. Au niveau du point d’interaction, les tailles transverses des paquets d’électrons et de protons sont du même ordre de grandeur ( 6&6 (m ). Par contre, les paquets du faisceau d’électron ont une longueur de l’ordre de 10 mm alors que les paquets du faisceau de proton ont une longueur de l’ordre de 190 mm.
Anneau d’électrons. Ils sont transférés dans le synchrotron PETRA II pour former 60 paquets quisont accélérés jusqu’à 6 % GeV avant d’être injectés dansl’anneau d’électrons de HERA. Celui-ci est rempli avec 189 paquets d’électrons. Il est composé principalement de 456 dipôles de champ magnétique de 0,15 T et 605 quadrupôles ainsi que d’autres aimants complémentaires. Dans les arcs, les aimants sont regroupés en unités de 11,8 m contenant chacune d’elles deux dipôles, deux quadrupôles, trois sextupôles et deux dipôles de correction. Environ 90 pour cent de la radiation synchrotron (à 30 GeV la puissance totale émise est de 7 MW pour un courant de 58 mA) produite par le faisceau d’électron est absorbée par le tube à vide en cuivre refroidi par de l’eau. L’énergie perdu est compensée par l’accélération dans les cavités RF. La chaîne d’accélération du faisceau de proton se compose de l’accélérateur linéaire LINAC III, du synchrotron DESY III, de l’ancien anneau de stockage d’électron PETRA et finalement de l’anneau de proton de HERA. Des ions sont accélérés jusqu’à 50 MeV dans l’accélérateur linéaire. Après leur transfert dans le synchrotron DESY III, les ions perdent leurs électrons en traversant une feuille de carbone. Avant d’être injecté dans PETRA, le faisceau de proton est accéléré jusqu’à 7,5 GeV. 60 paquets de protons correspondant à 6 cycles de fonctionnement de DESY III sont nécessaires pour remplir PETRA. Ces paquets sont accélérés jusqu’à 40 GeV puis injectés dans l’anneau de proton de HERA. Après 3 cycles, l’anneau de proton de HERA est rempli avec 180 paquets de protons de 40 GeV. L’anneau de proton de HERA est constitué principalement de 422 dipôles supraconducteurs de 4,68 T et 224 quadrupôles supraconducteurs. Les unités de l’anneau de proton de 47,08 m installés dans les arcs sont constitués de 4 dipôles et 2 quadrupôles. Pour refroidir les composants supraconducteurs de HERA à 4,3 K environ 15 tonnes d’hélium circulent dans le système de refroidissement.
Les expériences Les quatre zones d’interaction de HERA sont occupées par les expériences HERMES, HERAB, ZEUS et H1. ZEUS et H1 observent les collisions entre le faisceau de protons et le faisceau d’électrons. Elles étudient le même type de physique ce qui leur permet de comparer leurs résultats et éventuellement de combiner leurs analyses. Les deux autres expériences utilisent seulement un des deux faisceaux pour des études sur des cibles fixes. L’expérience HERA-B étudie la production de mésons B lors des collisions entre le halo du faisceau de proton et des fils de carbone, titane ou tungstène. L’expérience a pris des données entre 2000 et 2003. L’expérience HERMES étudie le spin des nucléons. Elle utilise le faisceau d’électron non-polarisé ou polarisé longitudinalement et une cible de gaz polarisé ou non-polarisé .
De HERA I à HERA II Le projet HERA a été approuvé en avril 1984 après plusieurs années de recherche et de développement. L’anneau d’électron a été terminé en août 1988 et des électrons ont pu être accélérés jusqu’à 14 GeV. En septembre 1989, l’ajout de cavités RF supraconductrices permit d’atteindre une énergie de 27,5 GeV. En novembre 1990, la construction des deux anneaux de stockage a été terminée et un an après, HERA fonctionnait avec 26.7 GeV d’électrons et 480 GeV de protons. On observa les premières collisions électron-proton en octobre 1991. Après l’arrêt de l’hiver 1991/1992, l’énergie du faisceau de proton a été augmenté jusqu’à 820 GeV. Les deux expériences H1 et ZEUS furent installées dans les régions d’interaction à partir de mai 1992 et les prises de données commencèrent un peu plus tard. Les premiers résultats furent publiés en septembre 1992. HERA a fonctionné alternativement avec des positrons et des électrons jusqu’en 1998. En 1998, l’énergie du faisceau de protons a été augmenté jusqu’à 920 GeV. Depuis la première année de fonctionnement, les performances de HERA se sont régulièrement améliorées et la luminosité accumulée a augmenté chaque année . Elle montre que la luminosité intégrée de HERA pendant la phase I augmentait chaque année exponentiellement pour atteindre un total de 180 pb ! dont 140 pb! utile pour H1 . Mais le collisionneur avait atteint ses limites et pour obtenir une collection plus rapide de la luminosité, il a été nécessaire de modifier l’accélérateur. Plusieurs possibilités ont été envisagées : augmenter l’éclat ! du faisceau de proton, augmenter le courant du faisceau d’électron ou diminuer les fonctions et du faisceau de proton au point d’interaction. Ces trois méthodes avaient un coût semblable mais la solution consistant à modifier la région d’interaction semblait être la plus raisonnable [21]. Pour focaliser plus fortement le faisceau de proton dans la région d’interaction, le faisceau d’électron doit être séparé du faisceau de protons le plus tôt possible. Les régions d’interaction ont donc été reconstruites. Les premiers quadrupôles furent déplacés de 26 m à 10 m du point d’interaction, 58 nouveaux aimant furent installés dont 4 aimants supraconducteurs qui furent ajoutés à l’intérieur des détecteurs H1 et ZEUS à 2 m du point d’interaction. Pour H1, ces aimants sont appelés GO et GG. Le projet incluait également l’installation de rotateurs de spin de 60 m de chaque côté des expériences H1 et ZEUS. Pour réaliser ces modifications, HERA a été arrêté en septembre 2000 et devait redémarrer en juillet 2001. Le rayonnement synchrotron produit par la nouvelle optique dans les zones d’interaction provoqua un important bruit de fond dans les chambres à dérive des détecteurs de traces des expériences. Ces détecteurs étant primordiaux pour exploiter les données, HERA a du fonctionner jusqu’en 2003 avec de faibles courants pour ne pas les détériorer. Pendant l’arrêt de 2003, le blindage a été renforcer pour diminuer le bruit de fond d’un facteur 5 et les performances de la machine s’améliorent régulièrement malgré le vieillissement des installations. Les prises de données doivent se poursuivre jusqu’à mi-2007. HERA sera arrêté et démantelé. PETRA doit être converti en synchrotron. Lors de l’arrêt de HERA pour le passage à la phase II, certains détecteurs ont également été modifiés soit pour améliorer leurs performances soit pour les adapter au nouvelles conditions de fonctionnement de la machine. Ces modifications sur H1 seront développés dans les paragraphes suivant.
Le détecteur H1
Le détecteur H1 [22] a été conçu pour étudier les collisions électron proton à hautes énergies auprès du collisionneur HERA. Il est installé dans le hall Nord de DESY. Le détecteur mesure approximativement 12 mètres de long, 10 mètres de large et 15 mètres de haut et il pèse environ 2800 tonnes. Il est composé de plusieurs sous détecteurs dont les fonctions sont complémentaires, l’ensemble formant un cylindre centré sur l’axe des faisceaux. Les détecteurs de traces, située au plus près du point d’interaction, mesurent le chemin des particules chargées les traversant. Ces détecteurs sont situées dans un champ magnétique fort de 1,16 T, permettant de reconstruire la charge et l’impulsion des particules grâce à la courbure de leurs trajectoires. Ce champ est produit par un solénoïde supraconducteur. Les calorimètres, situés entre les détecteurs de traces et la bobine, mesurent l’énergie et la position des particules incidentes. La segmentation fine des calorimètres permet une bonne résolution spatiale, fournissant des informations non seulement sur l’énergie totale mais également sur la nature des particules incidentes à partir de la forme des dépôts d’énergie. Pour compléter le détecteur, une culasse en fer assure le retour des lignes de champs. Elle est instrumentée pour permettre une mesure des fins de gerbes hadroniques et l’identification de muons. Plusieurs détecteurs complémentaires sont installés dans le détecteur H1 ou dans le tunnel. La couverture angulaire atteint presque quatre stéradians, l’obturation principale étant le tube du faisceau. Les systèmes de câblage et de refroidissement ainsi que les appuis structuraux empiètent également sur la couverture spatiale du détecteur. Le détecteur présente une asymétrie le long de l’axe du faisceau. Il possède une masse plus importante et une granularité plus fine dans la direction des protons afin de tenir compte de la différence d’énergie entre les faisceaux incidents. Le détecteur est divisé en trois régions : la région avant, définie comme étant la partie du détecteur située dans la direction des protons, la région centrale et la région arrière.
Détecteurs de traces chargées La trajectographie a pour but d’associer les positions données par les détecteurs en réponse au passage de particules chargées. Les différentes étapes de la trajectographie peuvent être identifiées comme suit :
1. individualiser les traces, c’est à dire associer les positions données par les détecteurs (points d’impact) dues au passage d’une même particule.
2. mesurer l’impulsion de la particule. Ces deux tâches sont confondues dans la pratique par l’utilisation d’un champ magnétique qui courbe les trajectoires des particules chargées. En effet, les algorithmes de reconstruction après avoir former chaque trace peuvent déterminer leur rayon de courbure (). La minimisation de la diffusion multiple permet d’une part de diminuer l’erreur sur la mesure de l’impulsion et de l’angle d’émission et d’autre part de faciliter l’association des points.
3. identifier les particules. En utilisant uniquement la mesure de l’impulsion (p) et la mesure de la perte d’énergie (dE/dx) dans les détecteurs, l’identification des particules (séparation pion, kaon, proton) est possible jusqu’à des impulsions de l’ordre de 1 GeV/c [23]. Au-delà de cette valeur, une information additionnelle est nécessaire. La perte d’énergie des particules, quand leur impulsion est supérieure à 1 GeV/c, est presque indépendante de leur nature et prend une valeur minimale qui ne dépend plus que du milieu traversé.
4. reconstruire la géométrie des décroissances successives(vertexing). Ce dernier point est plus ou moins compliqué selon les espèces de particules créées. Il demande dans tousles cas de disposer de détecteurs offrant une très bonne résolution en position afin de minimiser les erreurs faites sur les traces reconstruites à proximité du vertex de la collision. Il faut, en effet, distinguer le vertex primaire des vertex secondaires : dans le cas de saveurs lourdes, le temps de vie des principaux hadrons (charmés, beaux) est de l’ordre de 10 ! s, soit des distances de vol variant de quelques centaines de microns à quelques millimètres suivant le facteur de Lorent
LE DÉTECTEUR H1 Le système de détection de traces chargées de H1 est constitué de chambres à dérives, de chambres proportionnelles et de détecteurs en silicium. L’ensemble est installé au centre du détecteur H1. Les détecteurs de traces sont donc placés dans le champ magnétique de 1.16 Tesla délivré par le solénoïde. La disposition des détecteurs de traces est présentée sur les schémas 4.6 et 4.7. Le but de ce système est de reconstruire les vertex des interactions électron proton et de mesurer les angles et les impulsions transverses des particules chargées. Il fournit également des informations au le système de déclenchement. La reconstruction des traces s’appuie principalement sur les chambres à dérive centrales CJC1 et CJC2. Le déclenchement utilise la réponse, plus rapide, des chambres proportionnelles multi-fils.
Détecteurs de traces centraux La reconstruction des traces dans la région centrale s’appuie principalement sur deux chambres à dérive cylindriques, CJC1 et CJC2 (Central Jet Chamber). La chambre z externe (COZ) est une chambre à dérive plus mince, conçue pour compléter les mesures des CJCs avec une mesure plus précise de z. Le détecteur central à silicium (CST) doit mesurer les traces avec une très bonne résolution spatiale. En plus de compléter la mesure des traces, les chambres proportionnelles interne (CIP) et externes (COP) sont utilisées par le système de déclenchement.Les chambres CJC1 et CJC2 mesurent environ 2 mètres de long pour des épaisseurs respectives de 25 cm et 30 cm. Les chambres sont formées de cellules qui sont limitées par les plans de cathodes, et qui s’étendent sur toute l’envergure radiale des chambres. La CJC1 possède 30 cellules ayant chacune 24 fils sensitifs. La CJC2 est quant à elle constituée de 60 cellules de chacune 32 fils sensitifs. Les cellules sont inclinées d’approximativement 30˚ de sorte que les traces d’impulsion élevée (presque droites) traversent plus d’une cellule, améliorant la résolution sur la position de ces traces et éliminant les ambiguïtés de reconstruction en liant des segments de traces de différentes cellules. Les plans de fils des chambres (anode et cathode) sont parallèles à l’axe de faisceau. Cela permet une mesure des trajectoires dans le plan transverse, on peut également obtenir une information sur la position selon l’axe z en mesurant les courants à chaque extrémité des fils (division de charge) mais la précision est limitée : de l’ordre de 1% de la longueur des fils soit 22 cm. Les fils de cathode de chaque cellule sont placés à une tension proportionnelle à la distance du plan de fil afin de créer un champ de dérive uniforme et par conséquent une vitesse de dérive constante dans presque toute la cellule. À la haute tension nominale la vitesse de dérive est de 50 millimètres/(s).
La chambre z externe COZ La COZ est une chambre à dérive d’épaisseur 0,015 qui a été installée pour compenser la résolution insuffisante des CJCs dans la direction z. La COZ est installée entre les deux CJCs. Elle couvre une région angulaire de 25˚ < 1 < 165˚ et possède un rayon moyen de 46 cm. C’est un ensemble de 576 cellules identiques, reparties en 24 anneaux suivant l’axe z, chacun ayant 24 cellules rectangulaires formant un polygone régulier dans le plan r- . Les plans des fils de chaque cellule sont perpendiculaires au faisceau. La COZ a une résolution en z de l’ordre de 350
Le détecteur à silicium CST Le détecteur central à silicium CST (Central Silicon Tracker) est un détecteur à semiconducteur installé depuis 1997 dont le but est d’obtenir une mesure spatiale très précise des traces [24]. Il permet la reconstruction de vertex secondaires et l’étiquetage des mésons lourds contenant un quark . Il s’agit du détecteur le plus proche du point d’interaction. Le CST a été adapté au nouveau tube faisceau en 2001 et couvre la région angulaire 30˚ < 1 < 150˚. Il est constitué de deux couches de détection. La couche interne comporte 12 plans de six capteurs en silicium mesurant 5,9 3,4 cm et la couche externe en comporte 20. Le matériau actif est une jonction p-n de semiconducteurs dopés. Les cellules sont composées de 640 bandes parallèles au faisceau du côté p pour mesurer la coordonnée et de 640 bandes perpendiculaires du côté n pour mesurer la coordonnée . La résolution obtenue est de 22 (m en et de 12 (m dans le plan r-. La résolution sur la position z du vertex principal est de 0,09 cm sans la CST et de 0,02 cm avec la CST. L’épaisseur du détecteur est de 0,014 .
La chambre centrale proportionelle CIP2k La chambre interne proportionelle CIP2k (Central Inner Proportional Chamber) est située entre la CST et la CJC1. La CIP2k a remplacé la CIZ et l’ancienne CIP. La CIP2k est une chambre proportionnelle multifils formée d’environ 8500 cellules de gaz réparties dans 5 couches cylindriques concentriques de rayon interne r = 15 cm et de rayon externe r = 20 cm. Elle est segmentée en 16 secteurs selon et chaque secteur compte 120 cellules le long de l’axe . Les cellules mesurent environ 2 cm. La longueur totale est de 2,2 m. Le temps de réponse du détecteur est de l’ordre de 10 ns.
La chambre proportionnelle externe COP La COP une chambre proportionnelle multifils d’épaisseur 0,18 située entre la COZ et la CJC2. Elle a un rayon d’environ 50 cm. La COP est constituée de 288 cellules, repartis sur 18 secteurs en z et 16 dans le plan r-. La COP était utilisée avec l’ancienne CIP pour déterminer la position du vertex selon l’axe mais cette association n’est pas en mesure de rejeter efficacement le bruit avec les nouvelles conditions de fonctionnement de la machine. Cependant, elle est utilisée en complément de la CIP2k pour rejeter les traces avec une petite impulsion transverse.
Détecteurs de traces avant Le détecteur de traces chargées avant FTD (Forward Tracking Detector) mesure les traces dans la région 5˚ < 1 < 25˚. C’est un détecteur qui a été profondément modifié entre HERA-I et HERAII. Le détecteur pour HERA-I avait une efficacité d’identification de trace inférieure à 50% pour les événements à grande multiplicité ceci à cause d’un trop grand nombre d’ambiguïtés lors de la reconstruction des traces, problème aggravé par les interactions secondaires des particules. Il était constitué de chambres à dérive, de chambres proportionnelles et de détecteurs à rayonnement de transition (le rayonnement de transition étant émis par une particule traversant un milieu inhomogène et son intensité permet une identification entre électron et hadron pour des particules très relativistes). La version HERA-II montrée sur la figure 4.16 n’est plus constituée que de chambres à dérives. Il est constitué de trois parties similaires appelées supermodules. Les chambres proportionnelles (remplacées par des scintillateurs pour le déclenchement) et les détecteurs à rayonnement de transition ont été enlevés. Chaque module est constitué de trois chambres planaires P et de deux (voire une) nouvelles chambres planaires Q. Chaque groupe de trois chambres P a ses fils orientés à 0˚, +60˚ et -60˚ et les chambres Q ont leurs fils orientés à +30˚ et +90˚. Un filtre de Kalman reconstruit les traces du FTD. Le détecteur de traces à silicium avant FST (Forward Silicon Tracker) est un détecteur à semiconducteur couvrant la région 8˚ < 1< 16˚. Il a été gravement endommagé en 2004.
Détecteurs de trace chargées arrières Dans la région arrière les traces (entre autres celle de l’électron diffusé) sont mesurées avec le détecteur de traces à l’arrière en silicium BST (Backward Silicon Tracker) et une chambre à dérive
BDC (Backward Drift Chamber). La BDC a remplacé la chambre proportionnelle arrière en 1995 afin d’améliorer la résolution sur la mesure de l’angle polaire de l’électron diffusé. Elle est installée entre les détecteurs de traces centraux et le SpaCal. Elle est composée de huit couches le long de l’axe regroupées en quatre modules. Les modules contiennent deux plans de fils décalés l’un par rapport à l’autre selon la direction radiale. La distance entre les fils et la cathode mesure 0,5 cm pour les cellules internes et 1,5 cm pour les cellules externes. La séparation entre les cellules internes et les cellules externes se situent entre 21 et 25 cm. Une cellule spéciale avec un espace de dérive asymétrique en sert de transition. La surface active des modules est divisée en quatre segments couvrant un angle de 45˚ en . Le quatre modules sont tournés d’un angle de 11,25˚ les uns par rapport aux autres ce qui permet de mesurer la composante azimutale des traces alors que la composante radiale est mesurée grâce au temps de dérive. Lors de son installation en 1995, le BST comportait quatre disques de 16 capteurs en silicium couvrant un angle de 22,5˚ dans le plan azimutal et permettant de mesurer la position radiale (type r). En 1997, quatre disques supplémentaires ont été ajoutés plus près du point d’interaction. L’année suivante, huit disques supplémentaires ont été installés pour mesurer la position azimutale (type ). Le BST a été remplacé lors du passage à la phase HERA II [24]. Le nouveau BST est composé de six disques équipés chacun de 12 capteurs de type r et de 12 capteurs de type dos à dos, les capteurs de type r faisant face au point d’interaction. La modification du tube à vide lors du passage à la phase HERA II ne permet d’installer que 12 capteurs de chaque type par disque ( du plan azimutal) laissant quatre emplacements vides utilisés par le système de refroidissement. Le BST est également pourvu de quatre disques avec des 12 capteurs à damier utilisés par le système de déclenchement pour compléter la région qui n’est pas couverte pas la CIP. Cette partie du BST sert à contrôler le taux de radiation dans le détecteur H1. La position des disques est donnée par le tableau 4.3 permet au BST de couvrir la région angulaire 163˚ < 1 < 174˚. Les disques ont un rayon interne de 59 mm et un rayon externe de 120 mm. La longueur totale du détecteur est de 103 cm dont seulement 27 cm sont occupés par le volume actif. La combinaison de la BST et de la BDC permet d’obtenir une résolution sur l’angle polaire
La calorimétrie Le rôle de la calorimétrie est de mesurer l’énergie d’une particule par absorption totale ou partielle de son énergie dans un milieu détecteur [23]. La calorimétrie tient un rôle important dans la plupart des analyses de physique, tant du point de vue de la mesure de l’énergie des particules individuelles et de leur identification que du point de vue de la mesure du flot d’énergie total à travers le détecteur. Dans un tel détecteur, une particule, dont on souhaite mesurer l’énergie totale, est à l’origine d’une cascade (ou gerbe) électromagnétique ou hadronique qui doit être entièrement contenue dans le volume du calorimètre. Il existe des calorimètres homogènes, dont le volume est entièrement constitué par un matériau détecteur actif (scintillateur, verre ou plomb) et d’autres, hétérogènes, où des couches inertes alternent avec des couches de détecteurs mesurant une collection d’échantillons prélevés le long de la gerbe. Cette mesure par échantillonnage (sampling) permet de grosses économies, les matériaux détecteurs étant, à pouvoir d’arrêt égal, beaucoup plus coûteux que de simples écrans. Les couches de détecteurs peuvent par ailleurs, plus aisément qu’un volume, être subdivisées en éléments sensibles indépendants; ainsi, à la fonction de mesure de l’énergie totale, s’ajoute aussi celle de localisation. La perte d’énergie d’un électron ou d’un photon pénétrant dans un milieu fait intervenir plusieurs mécanismes dépendant de l’énergie de la particule incidente et du milieu traversé. L’interaction des particules électromagnétiques avec la matière est caractérisée par une longueur de radiation, ,qui est la distance moyenne pour laquelle une particule perd 6 de son énergie initiale. Le plomb, l’absorbeur électromagnétique le plus commun, a une longueur de radiation de 0,56 centimètres. Pour une énergie supérieure à 100 MeV, la perte d’énergie se fait par interaction avec le champ électrique du noyau – Bremsstrahlung pour les électrons et création de paires pour les photons – donnant naissance à une cascade de particules. Cette cascade s’arrête lorsque le processus d’ionisation devient dominant. Les hadrons interagissent avec les noyaux des atomes de l’absorbeur de façon élastique et inélastique pour donner des hadrons secondaires, et (comme dans le cas électromagnétique) une gerbe des particules secondaires se développe. Le développement d’une gerbe hadronique est caractérisé par la longueur d’interaction qui correspond au libre parcours moyen d’un hadron. est en général beaucoup plus grande que . Pour le béton et l’acier, 6 centimètres, pour le calorimètre hadronique de H1, % 6 cm. Le développement d’une gerbe hadronique s’arrête lorsque les hadrons secondaires ont une énergie suffisamment basse pour être arrêtés par ionisation ou capture nucléaire. Les gerbes hadroniques sont beaucoup plus étendues que les gerbes électromagnétiques. L’extension latérale et longitudinale d’une gerbe hadronique étant toujours plus grande que pour une gerbe électromagnétique, la différenciation des dépôts électromagnétiques et hadroniques est possible. H1 est constitué de plusieurs calorimètres permettant d’assurer une bonne herméticité : le calorimètre à argon liquide (LAr), le calorimètre arrière (SpaCal), le bouchon avant (PLUG), le calorimètre de fin de gerbes (Tail Catcher)
Le calorimètre à argon liquide (LAr) Le LAr est le principal de calorimètre de H1. Il recouvre tout le plan azimutal, et la région 4˚ < 1 < 153˚ du plan longitudinal. L’argon liquide bénéficie d’une grande inertie chimique qui permet d’obtenir une réponse stable dans le temps. Les variations de pureté de l’argon sur un an sont i à 1%. Pour limiter la quantité de zones mortes dans la zone le séparant du point d’interaction, il est positionné à l’intérieur de la bobine supraconductrice. Le calorimètre à argon liquide comporte deux parties, une électromagnétique servant à mesurer l’énergie des électrons et des photons, une hadronique pour la mesure des énergies des autres particules (essentiellement de hadrons). Chaque octant est divisé en cellules (45000 au total, environ 30000 pour la partie électromagnétique et 15000 pour le partie hadronique), leur nombre et leur structure diffèrent selon leur position dans le calorimètre. Les cellules sont regroupées en couches de cellules. La section électromagnétique comporte 3 à 4 couches de cellules et celle hadronique en comporte 4 à 6 . Elles sont plus nombreuses dans la partie avant. Cette construction permet d’étudier le développement des gerbes. La structure des cellules est détaillée dans le paragraphe suivant. Cette géométrie laisse des espaces libres ou trous appelés cracks constituant autant de zones mortes pour la détection. Néanmoins, les cracks en ne pointent pas vers le point d’interactionce qui permet qu’une particule diffusée dans un de ces cracks soit détectée au moins partiellement par les modules voisins. En terme de développement longitudinal, la longueur de la section électromagnétique varie entre 20 et 30 (ce qui correspond à 1 et 1,4 ).
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Table des matières
Introduction
1 Introduction théorique
1.1 La diffusion Compton
1.2 Principes de la diffusion
1.2.1 La diffusion de Rutherford
1.2.2 Diffusion élastique et facteurs de forme
1.2.3 La diffusion profondément inélastique
2 Processus de diffusion avec radiation de photons durs à HERA
2.1 Le processus de Bethe Heitler
2.1.1 Section efficace
2.1.2 Une autre approche
2.1.3 Beam size effect
2.2 La diffusion Compton
2.2.1 Section efficace
2.2.2 Approximation de la section efficace
2.3 Les corrections radiatives
3 La luminosité
3.1 Définition de la luminosité
3.2 Un soupçon de physique des collisionneurs
3.2.1 Stabilité transverse
3.2.2 Stabilité longitudinale
3.2.3 La radiation synchrotron
3.2.4 Les paquets satellites
3.3 Méthodes de mesure de la luminosité
4 Dispositif expérimental
4.1 HERA, un collisionneur e-p
4.1.1 Description générale
4.1.2 Les expériences
4.1.3 De HERA I à HERA II
4.2 Le détecteur H1
4.2.1 Détecteurs de traces chargées
4.2.2 La calorimétrie
4.2.3 Les systèmes de détection des muons
4.2.4 Le système de mesure de temps de vol (ToF)
4.3 Acquisition et traitement des données
4.3.1 Le système de déclenchement
4.3.2 L’environnement d’analyse
4.3.3 Simulations Monte-Carlo
4.4 Le système de luminosité
4.4.1 Détecteur de photons
4.4.2 Marqueurs d’électron
4.4.3 Electronique et acquisition des données
4.4.4 Mesure actuelle de la luminosité
5 Analyse des données du détecteur de photons
5.1 Introduction
5.1.1 Les empilements
5.1.2 La réponse du détecteur
5.1.3 La simulation
5.1.4 La mesure de la luminosité
5.2 Données et bruits de fond
5.2.1 Données
5.2.2 Bruits de fond
5.3 Calibration du détecteur
5.3.1 Méthode de calibration
5.3.2 Application aux sommes sur les voies X et sur les voies Y
5.3.3 Application aux voies individuelles
5.4 Détermination de l’acceptance géométrique du détecteur
5.4.1 Détermination de la forme de l’acceptance géométrique
5.4.2 Calcul de l’acceptance
5.5 Mesure de la luminosité
5.5.1 Energie totale
5.5.2 Ajustement de la forme
5.5.3 Conclusion
6 La diffusion Compton
6.1 Données et simulations
6.1.1 La diffusion Compton
6.1.2 Bruit de fond
6.2 Reconstruction
6.2.1 Création des amas dans le calorimètre à argon liquide
6.2.2 Création des amas dans le SpaCal
6.2.3 Identification des particules électromagnétiques
6.2.4 Reconstruction des traces
6.3 Sélection des données
6.3.1 Pré-sélection
6.3.2 Déclenchement
6.3.3 Sélection finale
6.4 Mesure de la luminosité
Conclusion
A Calcul de la section efficace de la diffusion Compton
B Le barn
Bibliographie
Liste des figures
Liste des tableaux
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