ATLAS (expérience)

ATLAS (expérience)
Nom	ATLAS (expérience)
Domaine	Physique des particules
Lieu	Laboratoire européen pour la physique des particules (CERN)
Date	1992–présent
Équipe	Collaboration internationale

ATLAS (expérience) est une expérience de physique des particules située au Laboratoire européen pour la physique des particules (CERN), conçue pour étudier les collisions proton-proton produites par le Grand collisionneur de hadrons pendant les opérations du Large Hadron Collider au point expérimental appelé Point 1. L'expérience vise à tester le modèle standard (physique) et à rechercher des phénomènes hors du modèle standard tels que la supersymétrie, les dimensions supplémentaires et les candidats matière noire. Le détecteur a été construit par une collaboration internationale impliquant des institutions comme le CEA, le CNRS, l'Université d'Oxford, le Massachusetts Institute of Technology, et des laboratoires nationaux tels que le Fermilab et le Brookhaven National Laboratory.

Présentation et objectifs

L'objectif principal d'ATLAS est la mesure précise des propriétés du boson de Higgs, la recherche de la nouvelle physique au-delà du modèle standard (physique), et l'étude des processus électrofaibles impliquant les bosons W (boson) et Z (boson). L'expérience cible aussi l'exploration des signatures liées à la supersymétrie (SUSY), aux théories de grande unification proposées par des groupements comme SU(5), et à la détection indirecte de la matière noire via des candidats comme le neutralino. ATLAS mesure aussi des interactions fortes décrites par la chromodynamique quantique et produit des résultats comparables à ceux du détecteur CMS pour contraster les analyses.

Conception et détecteur

Le détecteur ATLAS est un appareil cryogénique et magnétique composé de plusieurs sous-systèmes emboîtés : le détecteur interne (tracking) basé sur des capteurs silicium et un détecteur à pixels, la calorimétrie électromagnétique à base de liquide argon et la calorimétrie hadronique utilisant des technologies comme l'acier-scintillateur, et le système muon avec des chambres à projection temporelle et des chambres à dérivation. L'ensemble est enveloppé par un aimant toroïdal supraconducteur et un solénoïde central similaire en principe aux dispositifs développés par des institutions comme Thomson-CSF et Siemens. La conception intègre des composants fournis par le Max Planck Institute for Physics, l'INFN, le KEK et l'Institute of High Energy Physics (IHEP) de Chine. Le déclenchement repose sur un système multi-niveaux associant l'électronique front-end, les cartes FPGA produites par des groupes comme Xilinx, et les fermes de calcul basées sur des serveurs fournis par des centres tels que le CERN IT.

Expériences et fonctionnement

ATLAS exploite le faisceau du Large Hadron Collider aux énergies nominales initiales de 7–8 TeV puis 13–14 TeV centre de masse, synchronisé grâce à l'accélérateur linéaire LINAC et à des infrastructures comme le Super Proton Synchrotron. Les opérations quotidiennes impliquent le contrôle des paramètres via le centre de contrôle du CERN et la coordination avec des expériences voisines telles que ALICE, LHCb et TOTEM. Les analyses utilisent des frameworks logiciels développés conjointement avec des collaborations telles que ROOT, GEANT4 et Athena en lien avec des laboratoires comme le European Grid Infrastructure et des centres de calcul régionaux tels que le GridPP et le Open Science Grid. Le fonctionnement comprend la calibration continue à l'aide de sources test, la validation des canaux via des données issues de collisions, et des campagnes d'alignement menées à la manière d'essais conduits par des groupes du University College London et de l'Universität Heidelberg.

Principaux résultats scientifiques

Parmi les résultats majeurs, ATLAS a contribué à la découverte du boson de Higgs en 2012, en coordination avec CMS et des équipes issues d'institutions telles que le Imperial College London et l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne. L'expérience a mesuré les sections efficaces de production du boson de Higgs via des canaux comme la désintégration en deux photons et en quarks bottom. Les analyses ATLAS ont fourni des contraintes sur la masse du top quark et sur les paramètres de la CKM matrix en parallèle avec des mesures effectuées par CDF et DØ. ATLAS a aussi placé des limites sur les modèles de supersymétrie et sur les médiateurs de matière noire utilisés dans des cadres proposés par des équipes du Harvard University et du SLAC. D'autres résultats incluent des études de la diffusion élastique comparables à celles de TOTEM et des recherches sur les phénomènes collectifs analogues à ceux étudiés par ALICE.

Collaboration et organisation

La collaboration ATLAS regroupe des milliers de membres provenant d'universités et d'instituts tels que l'Université de Cambridge, l'Université de Tokyo, l'Université de Melbourne, l'Universidad Nacional Autónoma de México et le TRIUMF. Le comité de direction fonctionne avec des groupes de travail thématiques en physique des particules, en instrumentation et en informatique, structurés en départements similaires à ceux observés dans des organisations comme l'European Organization for Nuclear Research et le International Committee for Future Accelerators. La formation des jeunes chercheurs se déroule via des programmes doctoraux associés à des instituts comme le CERN Summer Student Programme et des écoles d'été organisées par des entités telles que l'ICTP.

Infrastructures et exploitation au LHC

L'infrastructure matérielle d'ATLAS repose sur le tunnel du Large Hadron Collider et sur les installations de surface et souterraines du CERN, incluant des installations cryogéniques et des services électriques gérés par des équipes similaires à celles du Engineering Department (CERN). L'exploitation intensive nécessite des mises à niveau périodiques — Phase-0, Phase-1 et Phase-2 — coordonnées avec le projet de High-Luminosity Large Hadron Collider et des programmes de mise à niveau soutenus par des partenaires comme l'European Research Council et des agences nationales telles que le Department of Energy (États-Unis). Les campagnes de maintenance, les arrêts techniques et les périodes d'exploitation sont planifiés en coordination avec des expériences voisines et des infrastructures de recherche internationales comme le Institut national de physique des particules.

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