Measurement of the Muon Flux at SND@LHC: Results from the 2023-2025 Proton and Heavy-Ion Periods

Cet article présente les mesures du flux de muons dans la région de pseudorapidité avant du détecteur SND@LHC, réalisées entre 2023 et 2025 lors de collisions proton-proton et d'ions lourds, qui concordent avec les prédictions de la simulation Monte Carlo et sont essentielles pour caractériser le bruit de fond des interactions de neutrinos.

L'essentiel

🚂 Le SND@LHC : Un détective des particules à l'arrêt du train

Imaginez que le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN est une immense autoroute souterraine où des trains de particules voyagent à la vitesse de la lumière. L'expérience SND@LHC est comme un petit poste de douane caché dans un tunnel, à 480 mètres du point de départ de ces collisions.

Son but principal ? Attraper des neutrinos, des particules fantômes qui traversent tout sans laisser de trace. Mais pour bien les voir, il faut d'abord comprendre et compter les "bruits de fond" : les muons.

1. Le problème : Le bruit de fond (Les Muons)

Dans notre analogie, si les neutrinos sont des oiseaux rares et silencieux, les muons sont des essaims d'abeilles bruyantes qui volent partout.

• Pourquoi sont-ils gênants ? Ils sont si nombreux qu'ils peuvent masquer les neutrinos.
• Pourquoi sont-ils importants ? Ils sont si puissants qu'ils peuvent "abîmer" la pellicule photographique spéciale (les émulsions) utilisée par le détecteur. Il faut donc savoir exactement combien il y en a pour changer la pellicule au bon moment, comme on change une pellicule photo trop exposée au soleil.

2. L'expérience : Un filtre géant

Le détecteur SND@LHC est un système hybride, un peu comme un tamis très sophistiqué :

• Le mur de tungstène : C'est le cœur du détecteur, une série de plaques de métal lourd qui sert de cible.
• Les fibres scintillantes : Imaginez des milliers de petits bâtons lumineux qui s'allument quand une particule passe. Ils servent à tracer la route des particules.
• Le système de veto : C'est une alarme qui détecte les particules qui arrivent de la mauvaise direction.

L'équipe a analysé les données de 2023 à 2025 pour compter ces muons, aussi bien lors des collisions de protons (le trafic habituel) que lors des collisions d'ions lourds (des trains de plomb, beaucoup plus denses).

3. Les découvertes : Ce qui a changé

Les scientifiques ont découvert des variations intéressantes dans le flux de muons, un peu comme le trafic routier qui change selon l'heure ou la météo :

• 2023 vs 2024 (Le grand saut) : En 2024, le nombre de muons a doublé ! Pourquoi ? Parce que les ingénieurs du LHC ont inversé la polarité des aimants géants (comme changer le sens du courant dans un moteur). Cela a créé un "tunnel magnétique" qui a guidé beaucoup plus de muons vers le détecteur.
• 2025 (Le retour à la normale, mais avec une twist) : Les réglages sont revenus à la normale, mais avec un petit changement d'angle. Résultat : le flux de muons est resté un peu plus élevé qu'en 2023.

4. La surprise : D'où viennent ces muons ?

On pensait que tous les muons venaient directement du point de collision principal (IP1). Mais en regardant de plus près, l'équipe a découvert une source secondaire cachée !

• L'analogie : Imaginez que vous êtes à l'arrêt du train. Vous entendez le sifflet du train principal (IP1), mais vous entendez aussi un écho provenant d'une grotte située 60 mètres plus loin.
• La réalité : Des particules créées dans une zone appelée LEHR.11R1 (une sorte de chambre froide vide du LHC) voyagent, se transforment en muons, et sont ensuite redirigées par un aimant géant (MQ.11R1) vers le détecteur. C'est comme si des passagers montaient dans un bus à une station secondaire et arrivaient au même endroit que ceux qui sont montés à la gare principale.

5. Conclusion : On est d'accord avec la théorie

Le résultat le plus rassurant ? Les mesures réelles correspondent très bien aux prédictions des ordinateurs (les simulations Monte Carlo).

• Pour les collisions de protons, l'écart est d'environ 10 à 20 % (ce qui est excellent pour la physique des hautes énergies).
• Pour les ions lourds, l'accord est encore meilleur (environ 5 %).

En résumé : Cette étude est comme une carte de trafic très précise. Elle dit aux physiciens : "Attention, il y a beaucoup plus de muons en 2024 qu'en 2023 à cause des aimants, et n'oubliez pas qu'une partie vient d'un endroit caché à 60 mètres." Cela permet de mieux protéger le détecteur et de mieux chercher les neutrinos, ces particules insaisissables qui racontent l'histoire de l'univers.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

L'expérience SND@LHC (Scattering and Neutrino Detector at the Large Hadron Collider) a pour objectif principal de détecter des neutrinos de haute énergie dans la région de pseudo-rapidité avant ($7,2 < \eta < 8,4$) générés par les collisions proton-proton au point d'interaction IP1 du LHC.

Le défi majeur de cette expérience réside dans le bruit de fond : la grande majorité des événements détectés proviennent de muons traversant le détecteur, et non d'interactions de neutrinos. Ces muons constituent le bruit de fond principal pour les recherches de neutrinos. De plus, l'exposition excessive des films à émulsion (composants clés du détecteur cible) aux muons impose une fréquence de remplacement des cibles. Par conséquent, une caractérisation précise du flux de muons est essentielle pour :

• Optimiser la soustraction du bruit de fond.
• Déterminer la fréquence de remplacement des cibles en émulsion.
• Étudier la réponse du détecteur et les performances de suivi (tracking) pour les muons de basse énergie, notamment lors des collisions d'ions lourds.

2. Méthodologie

Configuration du Détecteur :
Situé à environ 480 m du point d'interaction IP1 dans le tunnel TI18, le détecteur SND@LHC est un système hybride comprenant :

• Un système de veto (scintillateurs) pour rejeter les particules chargées.
• Une cible de 830 kg (plaques de tungstène et films à émulsion) servant de détecteur de vertex.
• Des trajectographes en fibres scintillantes (SciFi) intercalés avec la cible.
• Un système de muons en aval composé de blocs de fer (calorimètre hadronique) et de plans de scintillateurs (US et DS).
• Une architecture d'acquisition de données sans déclenchement (triggerless).

Échantillon de Données :
L'analyse couvre les périodes de prise de données de 2023 à 2025, incluant :

• Des collisions proton-proton.
• Des collisions ions lourds (noyaux de plomb $^{208}\text{Pb}^{82+}$).
  Les données proviennent de plusieurs remplissages (fills) du LHC, avec des luminosités intégrées spécifiques pour chaque année (Tableau 1).

Reconstruction et Analyse :

• Algorithme de suivi : Utilisation de la transformée de Hough pour identifier les candidats trajectoires, suivie d'un ajustement par filtre de Kalman (package Genfit). Le suivi est effectué séparément dans les plans XZ et YZ.
• Efficacité : L'efficacité de suivi est estimée en croisant les données des deux sous-systèmes (SciFi et DS). Une région de confiance (fiduciale) de $31 \times 31 \text{ cm}^2$ est définie pour assurer une efficacité uniforme.
• Calcul du Flux : Le flux de muons ($\Phi_\mu$) est calculé selon la formule :
  $$\Phi_\mu = \frac{N_{\text{tracks}}}{A \cdot L_{\text{int}} \cdot \varepsilon}$$
  Où $N_{\text{tracks}}$ est le nombre de traces, $A$ la surface, $L_{\text{int}}$ la luminosité intégrée et $\varepsilon$ l'efficacité de suivi.
• Simulations : Les prédictions sont basées sur des simulations Monte Carlo utilisant FLUKA et DPMJET pour les collisions hadroniques, et Geant4 pour le transport des particules à travers la roche et le détecteur.

3. Contributions Clés

1. Mesures actualisées et complètes : Fourniture des premières mesures de flux de muons pour les années 2023, 2024 et 2025, complétant les données de 2022.
2. Analyse comparative Proton/Ion Lourd : Distinction claire des flux pour les deux types de collisions, révélant des différences d'ordre de grandeur (les flux d'ions lourds sont environ $10^6$ fois supérieurs à ceux des protons).
3. Caractérisation des incertitudes : Démonstration que les incertitudes sont dominées par les effets systématiques (principalement la luminosité intégrée et l'efficacité) plutôt que par les statistiques (contribution statistique $< 1\%$).
4. Identification des sources de muons : Mise en évidence d'une source secondaire de muons provenant d'interactions à environ 60 m en amont du détecteur (au niveau de l'aimant quadrupôle MQ.11R1 et du cryostat vide LEHR.11R1), qui ne peuvent être séparées temporellement des collisions IP1.
5. Impact des configurations du LHC : Analyse de l'impact des changements de configuration du LHC (polarité des triplets IR1, angle de croisement) sur le flux mesuré.

4. Résultats Principaux

Les flux mesurés dans la zone fiduciale centrale sont les suivants :

Collisions Proton (Unité : $10^{-2} \text{ nb/cm}^2$) :

• 2023 : $(1,90 \pm 0,04)$
• 2024 : $(3,74 \pm 0,06)$ — Augmentation significative due à l'inversion de la polarité des aimants IR1 (configuration FDF vers DFD).
• 2025 : $(2,48 \pm 0,04)$

Collisions Ions Lourds (Unité : $10^{4} \text{ nb/cm}^2$) :

• 2023 : $(3,13 \pm 0,11)$
• 2024 : $(5,54 \pm 0,17)$
• 2025 : $(3,60 \pm 0,13)$

Comparaison avec la Simulation :

• Les résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions Monte Carlo à environ 10-20 % pour les collisions proton (2023-2024) et 5 % pour les ions lourds (2023).
• Les écarts observés pour les protons en 2025 sont attribués à des changements spécifiques de configuration (angle de croisement horizontal).

Distribution Angulaire :
Une distribution angulaire secondaire a été observée (pic à $\approx 45$ mrad), correspondant à des muons de basse énergie produits par la désintégration de pions et kaons générés en amont (site LEHR.11R1) et focalisés par les aimants du LHC.

5. Signification et Impact

• Validation du Modèle : La bonne concordance entre les données et les simulations Monte Carlo valide les modèles de propagation des muons à travers la roche et le tunnel du LHC, ainsi que les générateurs d'événements utilisés.
• Optimisation de l'Expérience : Ces mesures sont cruciales pour affiner les stratégies de rejet du bruit de fond dans la recherche de neutrinos et pour planifier la maintenance (remplacement des cibles) de SND@LHC.
• Compréhension de l'Environnement du LHC : L'étude révèle la complexité de l'environnement de rayonnement en aval du LHC, où des sources de particules secondaires en amont (hors point d'interaction principal) contribuent de manière significative au flux détecté.
• Préparation pour le Futur : Ces résultats établissent une base de référence solide pour les analyses futures, notamment pour les périodes à haute luminosité (HL-LHC) où la gestion du bruit de fond muonique sera critique.

En conclusion, ce travail fournit une caractérisation rigoureuse et à jour du bruit de fond muonique de l'expérience SND@LHC, confirmant la robustesse des méthodes de détection et fournissant des données essentielles pour l'interprétation des signaux de neutrinos.