Dernières nouvelles du LHC : exploitation spéciale avec des faisceaux « desserrés » pour ATLAS/ALFA et TOTEM

L'exploitation principale du LHC, avec des collisions proton-proton à haute luminosité, laisse place une semaine par année à une exploitation proton-proton spéciale. Les exploitations spéciales ont lieu avec des tailles de faisceaux plus grandes aux points d’interaction, afin de donner aux expériences situées aux angles proches du faisceau, TOTEM et ATLAS/ALFA, la possibilité de réaliser des mesures précises des protons au moment où ils émergent des collisions à des petits angles.

En mode haute luminosité classique, les faisceaux sont compressés de manière à ce que leur taille soit plus petite aux points d’interaction, et les taux de collision ainsi maximisés. La compression a lieu à l’énergie maximale, et la taille du faisceau au centre d’ATLAS (point d’interaction 1) et de CMS (point d’interaction 5) passe de 66 micromètres au sommet de la montée en intensité à 18 micromètres avant que les faisceaux entrent en collision.

Les protons qui échappent aux collisions inélastiques mais qui participent tout de même à une interaction (événements élastiques ou diffractifs) sont diffusés et émergent à un petit angle par rapport au faisceau. La réduction de la taille du faisceau a pour effet secondaire d’augmenter l’angle auquel les protons approchent du point de collisions. Cette différence d’angle plus importante signifie que les protons diffusés émergent également à des angles plus larges, ce qui complique les choses pour TOTEM et ATLAS/ALFA.

Pendant les exploitations spéciales de cette semaine, les faisceaux sont desserrés aux points d’interaction 1 et 5, de manière à ce que leur taille soit plus grande aux points d’interaction. Les protons approchent donc du point d'interaction à de plus petits angles. Une fois que le desserrage a été mené à bien et que les faisceaux entrent en collisions, les détecteurs pots romains d’ATLAS/ALFA au point d’interaction 1, et de TOTEM au point d’interaction 5, sont rapprochés du faisceau, et la prise de données commence.

L’objectif initial d’ATLAS/ALFA et de TOTEM est de réaliser la première mesure de la diffusion élastique proton-proton à 13 TeV. Il faut pour cela une luminosité faible, avec un petit nombre de paquets.

Dans une deuxième phase, les collaborations TOTEM et CMS coordonneront l’utilisation de leurs détecteurs pour réaliser des mesures combinées pour des études sur la physique diffractive. Il s’agira en particulier de chercher de nouveaux états de résonnance, les boules de glu, caractérisées par une combinaison entre des protons diffusés dans un angle proche du faisceau, enregistrés dans les pots romains, et des signaux à des angles éloignés du faisceau, observés par les détecteurs centraux. Cette phase exige une quantité importante de données. L’exploitation de cette semaine a eu lieu avec des faisceaux d’environ 700 paquets, espacés de 100 ns.

par Helmut Burkhardt for the LHC team