ULB - Service de Physique des Particules Sujets de mémoires

ULB - Service de Physique des Particules
Sujets de m´emoires et de stages pour l’ann´ee acad´emique 2014-2015
May 20, 2014
Le service de physique des particules
Membres du service: B. Clerbaux, G. De Lentdecker, L. Favart, K. Hanson, P. Marage, C. Vander Velde,
P. Vanlaer, Y. Yang
Adresse: IIHE, Campus Plaine, CP 230, Bˆatiment G de la VUB, niveaux 0 et 1
Secr´
etariat: A. Terrier, [email protected], t´el. : 02/629.32.02, fax: 02/629.38.16
Page web du service: http://w3.iihe.ac.be/
Les sujets propos´es peuvent en g´en´eral ˆetre pris par plusieurs ´etudiants. Les ´etudiants sont encourag´es `
a
discuter avec les personnes de contact pour plus d’information sur les sujets, et sur l’organisation pratique
des stages de BA3 et de MA1, ou encore du m´emoire.
Le service de physique des particules participe `a deux grandes exp´eriences: CMS au CERN (Gen`eve) et
IceCube au Pˆ
ole Sud, ainsi qu’`
a des d´eveloppements R&D (Recherche et Developpement) dans les technologies de pointe appliqu´ees aux d´etecteurs de particules et `a l’acquisition des donn´ees. Pour information, le
CERN et DESY (Hambourg) organisent des stages d’´et´e de 8 `a 13 semaines durant les mois de juillet et
aoˆ
ut pour les ´etudiants ayant suivi au minimum 3 ann´ees d’´etude universitaire (la date limite pour postuler
´etant g´en´eralement fin janvier pour l’´et´e qui suit). Ces stages peuvent ˆetre valoris´es dans le cadre du cursus
universitaire.
Grˆ
ace `
a un accord de collaboration en physique des particules entre les Universit´es de Beihang (Chine,
P´ekin) et l’ULB, le service peut offrir la possibilit´e aux ´etudiants de MA2 d’effectuer un s´ejour en Chine
(P´ekin) de plusieurs mois dans le cadre de leur m´emoire. L’´etudiant fera son travail de m´emoire au sein
d’une ´equipe dirig´ee par le Prof. Chengping SHEN. Le travail de recherche et la r´edaction du m´emoire seront
en anglais. Les sujets sont propos´es `
a la fin de ce document.
1
EXPERIENCE CMS - interactions proton-proton
Contacts: B. Clerbaux [email protected], L. Favart [email protected],
C. Vander Velde [email protected], P. Vanlaer [email protected].
Les sujets de stages et m´emoires portent soit sur l’analyse des donn´ees enregistr´ees au Grand Collisionneur de Hadrons, le LHC au CERN `
a Gen`eve, par l’exp´erience CMS en 2011 et 2012 `a des ´energies de
7 et 8 TeV dans le centre de masse proton-proton (le RUN1), soit sur la pr´eparation de la nouvelle prise
de donn´ees proton-proton `
a haute ´energie (13 TeV), le RUN2, qui d´emarrera en avril 2015. Le travail de
l’´etudiant s’int´egrera directement dans les recherches du groupe CMS de l’ULB. Les sujets de recherche
d´ecrits ci-dessous sont propos´es aussi bien pour un travail de m´emoire que comme sujet de stage. Dans ce
dernier cas, une partie du travail propos´e sera effectu´ee. Suite `a l’actualit´e, d’autres sujets peuvent ˆetre
propos´es au sein de l’exp´erience CMS. Nous encourageons les ´etudiants int´eress´es `a prendre contact avec les
membres du service.
- Depuis la d´ecouverte au LHC du boson scalaire de Brout-Englert-Higgs, les recherches se concentrent sur l’´etude des propri´et´es de la particule d´ecouverte, ainsi que sur la recherche de bosons scalaires
suppl´ementaires. Quatre sujets sont propos´es:
• Etude du canal de d´
esint´
egration H → ZZ → 4l
Ce canal est le plus clair pour la d´ecouverte et l’´etude des propri´et´es du boson scalaire H, car toutes
les particules de l’´etat final sont mesur´ees pr´ecis´ement. Apr`es s´election des ´ev´enements, le travail
consistera en la mesure de la masse du boson H (ajustement du signal), et les propri´et´es (spin) du
boson H seront extraites via l’´etude des distributions angulaires des leptons. Les donn´ees de CMS
r´ecolt´ees en 2011-2012 seront analyses et/ou une ´etude du potentiel de l’analyse `a 13 TeV (RUN2)
pourra ˆetre faite.
• Etude du canal de d´
esint´
egration H → τ + τ −
L’´etude de ce canal permet de mesurer le couplage du boson scalaire aux fermions. Le projet consiste
en la s´election des ´ev´enements avec une paire de leptons τ , en l’estimation des bruits de fond, et en
l’optimisation des coupures. Les donn´ees de CMS r´ecolt´ees en 2011-2012 seront analys´ees et/ou une
´etude du potentiel de l’analyse `
a 13 TeV (RUN2) pourra ˆetre faite avec notamment l’´etude des canaux
de d´esint´egration hadronique du lepton τ qui permettra la mesure des caract´eristiques (spin) du boson
scalaire H.
• Boson scalaire H vers invisible (mati`
ere noire)
La nature de la mati`ere noire est une des grandes questions ouvertes en physique actuellement. Au
LHC, les physiciens recherchent directement des nouvelles particules candidats mati`ere noire (DM).
Une autre possibilit´e est la recherche d’un signal via une interaction entre le boson scalaire et la DM.
Le travail propos´e consiste en la recherche d’´ev´enements o`
u le boson scalaire H se d´esint`egre en de
nouvelles particules interagissant faiblement (DM), qui s’´echappent du d´etecteur. Les donn´ees de CMS
r´ecolt´ees en 2011-2012 seront analys´ees et/ou une ´etude du potentiel de l’analyse `a 13 TeV (RUN2)
sera faite.
• Etude du canal H → ZZ → l+ l− ν ν¯
Malgr´e la r´ecente d´ecouverte du boson scalaire l´eger, des extensions du secteur scalaire du Mod`ele
Standard restent motiv´ees th´eoriquement. Le canal H → ZZ → l+ l− ν ν¯ est le plus sensible `
a la
pr´esence de nouveaux bosons scalaires massifs. Par une m´ethode originale explor´ee r´ecemment, ce
canal permet aussi de mesurer le temps de vie du boson scalaire l´eger. Le but du travail sera de
chercher comment am´eliorer l’analyse actuelle et d’estimer, avec des simulations, le potentiel de CMS
dans le cas de collisions `
a haute ´energie (13 TeV), pr´evues en 2015-2017.
- Les sujets suivants ont pour cadre la recherche de nouvelle physique au LHC :
• Etude du potentiel de CMS pour la d´
ecouverte de nouvelles particules dans le canal
´
electron-positron `
a tr`
es haute ´
energie
Malgr´e ses succ`es, le mod`ele standard ne peut r´epondre `a une s´erie de questions fondamentales. La
recherche de nouvelle physique est une des priort´es du LHC. L’existence de nouveaux bosons (Z ou
W) massifs est propos´ee par une s´erie de mod`eles de nouvelle physique et leur recherche est consid´er´ee
comme une des analyses phares de CMS. Le travail consistera en la pr´eparation de l’analyse des
donn´ees `
a 13 TeV : ´etude des mod`eles de nouvelle physique, s´election des ´ev´enements, optimisation de
la s´election. Etude des bruits de fond et calcul de la significance statistique des signaux possibles.
• Etude du potentiel de CMS pour la d´
ecouverte de nouvelles particules pr´
edites dans le
cadre de SUSY : mod`
eles supersym´
etriques
(1) Recherche de nouvelle physique avec des di-leptons de mˆeme charge `a CMS
Lors de collisions proton-proton, les processus du Mod`ele Standard g´en`erent essentiellement des dileptons de charge oppos´ee (par exemple la production d’un boson Z ou la production d’une paire de
quarks top), tandis que des di-leptons de mˆeme charge ne sont que rarement produits. Par cons´equent,
les signatures de nouvelle physique, telle que la supersym´etrie, produisant des di-leptons de mˆeme
charge peuvent ˆetre distingu´ees relativement facilement des bruits de fond. Ce canal poss`ede donc un
grand potentiel pour la d´ecouverte de nouvelles particules. Le projet consistera en l’optimisation de la
s´election des ´ev´enements, ainsi que l’´etude des bruits de fond du Mod`ele Standard `a l’aide des donn´ees
a 8 TeV du LHC.
`
(2) Recherche de nouvelle physique avec des multi-leptons `a CMS
Les ´ev´enements avec trois leptons (´electrons ou muons) et de l’´energie manquante transverse, qui est
la signature d’une particule de mati`ere noire, pr´esentent un grand potentiel pour la d´ecouverte de la
supersym´etrie. Le projet consistera en la pr´eparation de la prise de donn´ees `a 13 TeV, en utilisant
des simulations d’´ev´enements. L’accent sera mis sur l’optimisation de la s´election des ´ev´enements de
mani`ere `
a maximiser les chances de d´ecouverte, sur l’´etude des bruits de fond du Mod`ele Standard,
ainsi que sur l’´evaluation de la significance attendue d’un potentiel signal.
- Le sujet suivant a pour but l’´etude des interactions fortes (QCD) au LHC :
• Mesure de la constante du couplage fort dans les donn´
ees du LHC Une nouvelle m´ethode
est propos´ee pour mesurer la constante du couplage des interactions fortes (αS ) `a tr`es haute ´energie.
La m´ethode se base sur l’´emission d’un gluon suppl´ementaire dans les ´ev´enements poss´edant d´ej`
a
un boson Z. Au premier ordre αS est donc proportionnel au rapport des sections efficaces σ(pp →
Z + 2jets)/σ(pp → Z + 1jet). Le travail consistera en une s´election et une analyse des ´ev´enements
Z + jets et `
a l’extraction th´eorique de αS `a partir du rapport mesur´e. L’intervention de plusieurs
´echelles dures (la masse du Z et l’impulsion transverse des jets) dans les mˆemes ´ev´enements donne
acc`es `
a des questions profondes et originales sur notre compr´ehension de la Chromodynamique Quantique.
EXPERIENCE ICECUBE - t´
elescope `
a neutrinos
Contact : K. Hanson [email protected]
Le d´etecteur ICECUBE est un t´elescope `a neutrinos enfoui dans la glace de l’antarctique. Les neutrinos
sont d´etect´es par la mise en ´evidence des leptons (muons, ´electrons et taus) ´emis lors de leur interaction
avec la mati`ere de la glace ou de la terre. ICECUBE est une collaboration internationale regroupant plus
de 300 physiciens et ing´enieurs issus de laboratoires am´ericains, europ´eens et asiatiques. L’´etude des neutrinos d’origine galactique et extra galactique ouvre un nouveau champ d’investigation dans le domaine
cosmologique (recherche de la mati`ere noire, m´ecanisme d’acc´el´eration des rayons cosmiques, information
sur les noyaux actifs des galaxies, rayonnement des trous noirs, tests de mod`eles cosmologiques, dimensions suppl´ementaires...). Depuis d´ecembre 2010, le d´etecteur fonctionne avec 86 lignes d’instrumentation
d´eploy´ees dans la glace.
Analyse des donn´
ees IceCube :
• Recherche de neutrinos de haute ´
energie
Le travail consiste `
a analyser les donn´ees recueillies par le d´etecteur dans le but de s´electionner un
signal de neutrinos de haute ´energie dans un bruit de fond important r´esultant de l’interaction du
rayonnement cosmique dans l’atmosph`ere terrestre.
• Etude des caract´
eristiques optiques de la glace
IceCube b´en´eficie de sa position dans l’un des glaciers les plus purs au monde, cependant la glace autour
de IceCube poss`ede une structure complexe due, d’une part, aux vents et volcans du Pl´eistoc`ene r´ecent
il y a 20.000 jusqu’`
a 100.000 ans, et d’autre part, de la cons´equence du regel apr`es forage autour des
chaines de d´etection. Les propri´et´es de la glace sont ´etudi´ees grˆace aux donn´ees prises avec les LEDs
inclus dans les modules optiques. On compare les observations avec les simulations faites avec plusieurs
mod`eles.
• Perte d’´
energie des muons au-del`
a de 1 TeV
IceCube d´etecte 3.000 ´ev´enements chaque seconde, dont la plupart sont des muons cosmiques tr`es
´energ´etiques. Ils composent un faisceau id´eal pour l’´etude des m´echanismes stochastiques de la perte
d’´energie `
a haute ´energie.
EXPERIENCE ARA - la d´
etection des neutrinos en radiofr´
equence
Contact : K. Hanson [email protected]
L’exp´erience ARA est une nouvelle initiative : la construction d’un t´elescope `a neutrinos GZK `a ultrahaute ´energie, > 1017 eV, qui utilise la technique de radio-d´etection. Il est possible d’atteindre un volume
de d´etection plus grand que 100 km3 , qui est n´ecessaire car le flux de neutrinos est extrˆemement faible.
Cependant, le flux est garanti et son ´etude peut aider `a r´epondre `a des questions fondamentales dans le
domaine de la physique des particules et astroparticules.
Techniques de d´
etection des neutrinos en radiofr´
equence :
• Dispersion des ondes ´
electromagn´
etiques par plasmas dans les solides
Les gerbes produites par les neutrinos GZK interagissants avec la glace peuvent fortement ioniser la
glace, laissant un plasma qui subsiste des dizaines de ns. Les plasmas peuvent ˆetre d´etect´es par la
dispersion d’ondes RADAR. Cette nouvelle technique doit ˆetre valid´ee par une ´etude d´etaill´ee.
SUJETS D’INSTRUMENTATION
Contacts: G. De Lentdecker [email protected], K. Hanson [email protected], P. Vanlaer [email protected].
Y. Yang [email protected]
L’institut IIHE a une longue tradition dans le R&D (Research and Development) en physique des particules, notamment dans le d´evelopement de nouvelles techniques pour les d´etecteurs de trace. Le groupe
est aussi sp´ecialis´e dans le d´eveloppement de syst`emes d’acquisition utilisant des techniques de pointe,
l’´electronique digitale programmable (FPGAs).
• D´
etecteurs au silicium et reconstruction de traces - Exp´
erience CMS au LHC
Le trajectographe de CMS en fonctionnement au LHC est ´equip´e de plus de 15,000 d´etecteurs au
silicium dont la r´esolution spatiale est meilleure que 100 µm. Nous proposons d’´etudier en d´etail la
reconstruction de traces dans le trajectographe de CMS par l’algorithme du filtre de Kalman.
• Contribution `
a l’´
etude de d´
etecteurs ´
equip´
es de GEM pour les ’upgrades’ du spectrom`
etre
`
a muons de CMS
Dans le cadre des ’upgrades’ de l’exp´erience CMS pour les phases de haute luminosit´e du LHC, nous
´etudions la possibilit´e d’installer des nouveaux d´etecteurs ´equip´es de GEM (Gas Electron Multiplier)
dans le spectrom`etre `
a muons. Ce stage permettra une ´etude des caract´eristiques et des performances
des prototypes et de leur ´electronique. Outre l’analyse des donn´ees des tests avec faisceaux de particules
l’´etude pourrait aussi comprendre l’utilisation d’une ´electronique digitale programmable (FPGA), la
conception de processeurs embarqu´es sur FPGA et la programmation sur ces processeurs avec un
syst`eme d’exploitation temps r´eel.
• Mise au point d’un nouveau syst`
eme d’acquisition de donn´
ees pour la mesure du temps
de vie du muon, avec des FPGAs
Nous proposons de mettre au point un nouveau syst`eme d’acquisition de donn´ees pour l’exp´erience de
mesure du temps de vie du muon (PHYS-F-312), en utilisant les technologies modernes d’´electronique
digitale programmable: les FPGAs. Les FPGAs sont largement utilis´es dans toutes les exp´eriences de
physique des particules et dans l’industrie de l’´electronique embarqu´ee.
EXPERIENCES BES et BELLE - interactions ´
electrons-positrons - en CHINE
(PEKIN)
Contacts: L. Favart [email protected]
Grˆ
ace `
a un accord de collaboration en physique des particules entre les Universit´es de Beihang (Chine,
P´ekin) et l’ULB, le service peut offrir la possibilit´e aux ´etudiants de MA2 d’effectuer un s´ejour en Chine
(P´ekin) de plusieurs mois dans le cadre de leur m´emoire. L’´etudiant fera son travail de m´emoire au sein
d’une ´equipe dirig´ee par le Prof. Chengping SHEN. Le travail de recherche et la r´edaction du m´emoire seront
en anglais. Deux sujets sont propos´es.
• Recherche de nouvelles particules hadroniques form´
ees de 4 quarks dans l’exp´
erience
BESIII.
En 2013, une nouvelle particule, la Zc (3900), a ´et´e d´ecouverte par la Collaboration BESIII au collisionneur e+ e− BEPC (P´ekin). Elle semble ˆetre constitu´ee de 4 quarks (et non de 3 comme les baryons
ou de 2 comme les m´esons). Depuis, d’autres particules du mˆeme type ont ´et´e d´ecouvertes mais leur
production est mal comprise dans le cadre de la Chromodynamique Quantique (QCD). Ce sujet de
m´emoire propose l’´etude d’´etats li´es H contenant, entre autres, une paire c¯
c, produits avec un photon : e+ e− → γ + H, o`
u H = ηc , χc ,1 D2 `a diff´erents niveaux d’excitation. Le travail consistera
en √
la mesure des sections efficaces sur base de donn´ees prises `a des ´energies dans le centre de masse
de s = 4.01, 4.26, 4.36 et 4.6 GeV. Les mesures seront compar´ees aux pr´edictions th´eoriques (QCD
non-relativiste).
• Etude des transitions entre ´
etats hadroniques lourds dans l’exp´
erience BELLE
L’´etude des transitions entre diff´erents ´etats hadroniques contenant des quarks lourds est un ´el´ement
important pour la compr´ehension des interactions fortes dans le cadre de la QCD. En particulier
les syst`emes de quarkonia lourds (´etats li´es quark-antiquark lourds) sont d´ecrits avec succ`es dans
une approche de QCD non-relativiste. La largeur de d´esint´egration plus grande qu’attendue dans la
transition du m´eson Υ(5S) → Υ(mS)π + π − (m = 1, 2, 3) fournit des informations suppl´ementaires.
Nous proposons d’´etudier la transition Υ(5S) → χbJ (J = 0, 1, 2)π + π − π 0 de fa¸con similaire. Le
processus e+ e− → π + π − π 0 χbJ sera ´etudi´e sur base des donn´ees prises par l’exp´erience BELLE sur le
collisionneur e+ e− KEK `
a Tsukuba au Japon. Le lot d’´ev´enements ´etudi´e correspond `a une ´energie
dans le centre de masse de 10.867 GeV (c-`a-d au pic du Υ(5S)), d’une luminosit´e int´egr´ee de 118 fb−1 .