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FASER (expérience)

FASER (ForwArd Search ExpeRiment) est l'une des huit expériences de physique des particules au Large Hadron Collider au CERN. Elle est conçue à la fois pour rechercher de nouvelles particules élémentaires légÚres faiblement couplées, et pour étudier les interactions des neutrinos de haute énergie.

Site du Large Hadron Collider (LHC),
ci-dessous les expériences du LHC :
ATLAS : détecteur de particules par plusieurs couches concentriques de calorimÚtres,
CMS : solénoïde compact à muons,
LHCb : mesures des asymétries entre matiÚre et antimatiÚre,
ALICE : détecteur d'interactions entre ions lourds,
TOTEM : « télescope » mesurant la section efficace entre deux protons à 14 TeV,
LHCf : étude des particules produites « vers l'avant », afin de simuler les effets des rayons cosmiques,
MoEDAL : recherche du monopÎle magnétique,
FASER : expérience de recherche avancée,
ci-dessous les préaccélérateurs :
p et Pb : accélérateurs linéaires pour protons (linac2) et pour ions lourds (linac3),
PSB (non représenté) : Proton Synchrotron Booster,
PS : Proton Synchrotron,
SPS : Super Proton Synchrotron

L'expĂ©rience est situĂ©e dans le tunnel de service TI12, Ă  480 m en aval du point d'interaction utilisĂ© par l'expĂ©rience ATLAS. Ce tunnel Ă©tait autrefois utilisĂ© pour injecter le faisceau du SPS dans l'accĂ©lĂ©rateur LEP, mais n'hĂ©berge actuellement aucune infrastructure LHC. À cet endroit, l'expĂ©rience FASER est placĂ©e dans un faisceau intense et fortement collimatĂ© de neutrinos ainsi que d'Ă©ventuelles nouvelles particules. De plus, il est protĂ©gĂ© d'ATLAS par environ 100 mĂštres de roche et de bĂ©ton, offrant un environnement peu perturbĂ©. L'expĂ©rience FASER a Ă©tĂ© approuvĂ©e en 2019 et devrait recueillir des donnĂ©es depuis 2021 [1] - [2].

Nouvelles recherches en physique

Le principal objectif de l'expĂ©rience FASER est de rechercher de nouvelles particules lĂ©gĂšres et interagissant faiblement, qui n'ont pas encore Ă©tĂ© dĂ©couvertes, comme celles de l'Ă©nergie sombre, les particules de type axion et les neutrinos stĂ©riles [3] - [4]. Si ces particules sont suffisamment lĂ©gĂšres, elles peuvent ĂȘtre produites dans de rares dĂ©sintĂ©grations de hadrons. Ces particules seront donc principalement produites dans la direction « vers l'avant » le long de l'axe de collision, formant un faisceau fortement collimatĂ©, et peuvent hĂ©riter d'une grande partie de l'Ă©nergie du faisceau de protons du LHC. De plus, en raison de leurs faibles couplages avec les particules du modĂšle standard et de leurs grandes impulsions, ces particules ont une longue durĂ©e de vie et peuvent facilement parcourir des centaines de mĂštres sans interagir avant de se dĂ©sintĂ©grer en particules du modĂšle standard. Ces dĂ©sintĂ©grations conduisent Ă  un signal spectaculaire correspondant Ă  l'apparition de particules hautement Ă©nergĂ©tiques, que FASER vise Ă  dĂ©tecter.

Physique des neutrinos

Le LHC est le collisionneur de particules Ă  plus haute Ă©nergie construit Ă  ce jour, et donc aussi la source des neutrinos les plus Ă©nergĂ©tiques crĂ©Ă©s dans un environnement de laboratoire contrĂŽlĂ©. Les collisions au LHC entraĂźnent un flux important de neutrinos de haute Ă©nergie de toutes les saveurs, qui sont fortement collimatĂ©s autour de l'axe de collision du faisceau et qui traversent l'emplacement FASER. Le sous-dĂ©tecteur dĂ©diĂ© FASERÎœ est conçu pour dĂ©tecter ces neutrinos [5]. Il enregistrera et Ă©tudiera des milliers d'interactions neutrino, ce qui permet de mesurer les sections efficaces des neutrinos aux Ă©nergies TeV oĂč elles ne sont actuellement pas connues.

DĂ©tecteur

Disposition du détecteur FASER

Le dĂ©tecteur de neutrinos FASERÎœ se trouve Ă  l'extrĂ©mitĂ© avant de FASER. Il se compose de nombreuses couches de films d'Ă©mulsion entrelacĂ©es avec des plaques de tungstĂšne comme matĂ©riau cible pour les interactions des neutrinos. DerriĂšre FASERÎœ et Ă  l'entrĂ©e du dĂ©tecteur principal se trouve un capteur de particules chargĂ©es composĂ© de scintillateurs en plastique [6] - [7]. Ceci est suivi d'un volume de dĂ©sintĂ©gration vide de 1,5 mĂštre de long et d'un spectromĂštre de 2 mĂštres de long, qui sont placĂ©s dans un champ magnĂ©tique de 0,55 T. Le spectromĂštre se compose de trois niveaux de repĂ©rage, composĂ©s de couches de dĂ©tecteurs de prĂ©cision en bande de silicium, pour dĂ©tecter les particules chargĂ©es produites lors de la dĂ©sintĂ©gration des particules Ă  longue durĂ©e de vie. À la fin se trouve un calorimĂštre Ă©lectromagnĂ©tique.

Références

  1. (en) « FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles », CERN (consulté le )
  2. (en) « FASER's new detector expected to catch first collider neutrino », CERN (consulté le )
  3. Feng, Galon, Kling et Trojanowski, « FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC », Physical Review D, vol. 97, no 3,‎ , p. 035001 (ISSN 2470-0010, DOI 10.1103/PhysRevD.97.035001, arXiv 1708.09389)
  4. Ariga et al. (FASER Collaboration), « FASER's Physics Reach for Long-Lived Particles », Physical Review D, vol. 99, no 9,‎ , p. 095011 (ISSN 2470-0010, DOI 10.1103/PhysRevD.99.095011, Bibcode 2019PhRvD..99i5011A, arXiv 1811.12522)
  5. Abreu et al. (FASER collaboration), « Detecting and Studying High-Energy Collider Neutrinos with FASER at the LHC », The European Physical Journal C, vol. 80, no 1,‎ , p. 61 (DOI 10.1140/epjc/s10052-020-7631-5, Bibcode 2020EPJC...80...61A, arXiv 1908.02310)
  6. (en) Auteur inconnu, « Letter of Intent for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC », .
  7. (en) Auteur inconnu, « Technical Proposal for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC », .

Liens externes

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