Principe

Pour l'identification des particules et la mesure de leur énergie, on utilisera sur le LHC deux types de détecteurs :

• les détecteurs de reconstruction de traces qui mesurent la position du point de passage de la particule chargée avec un minimum d'interaction;
• les calorimètres qui mesurent l'énergie des particules qui y interagissent et s'y arrêtent.

De manière générale, la structure d'un ensemble de détection autour du point d'interaction est la suivante de l'intérieur vers l'extérieur : un premier ensemble de détecteur de reconstruction de traces puis des calorimètres et enfin un deuxième ensemble de détecteur de reconstruction de traces. Chaque particule laisse une signature différente dans cet ensemble de détection (figure ). Les plus probables et les plus importantes sont :

Figure: Signatures de particules dans les différentes parties d'un détecteur des hautes énergies classique.

• les électrons (ou positons) qui laissent un signal dans les détecteurs internes puis qui déposent toute leur énergie dans le calorimètre électromagnétique;
• les photons qui ne laissent aucune trace dans les détecteurs internes mais qui déposent toute leur énergie dans le calorimètre électromagnétique où ils sont convertis;
• les hadrons chargés ($K^{\pm}$, $\pi^{\pm}$...) qui laissent un signal dans les détecteurs internes puis qui déposent toute leur énergie dans le calorimètre hadronique;
• les muons qui traversent les calorimètres sans interagir mais qui laissent une trace de leur passage dans les détecteurs de traces internes et externes (pour cette raison, le détecteur externe est appelé détecteur à muons).

Relativement peu de neutrons sont produits dans les collisions proton proton mais leur flux provenant des interactions des particules dans le calorimètre électromagnétique n'est pas négligeable. Ils ne laissent pas de traces dans les détecteurs de traces mais peuvent induire un signal indirect par activation des matériaux.

Quatre expériences, construites sur le modèle précédent, ont été approuvées pour fonctionner auprès du LHC :

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment) dédiée à la physique des ions lourds et à la recherche de plasma quarks-gluons;
• LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) dédiée à la physique du quark $b$ et à la violation de CP;
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) et CMS (Compact Muon Solenoid), deux expériences polyvalentes pour l'étude des interactions proton-proton.

L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid) qui est le cadre de cette thèse est décrite plus en détail ci-dessous.