Détecteurs LHC : des particules suivies à la trace

29 juin 2022

Le LHC, l’accélérateur géant du CERN vient de redémarrer après trois ans de mise à l’arrêt. Cette période de maintenance a été l’occasion d’améliorer les performances et de rénover ses quatre principales expériences, notamment leurs détecteurs de traces, les trajectographes. Tout est désormais en place pour tirer partie du déluge de données promis par l’augmentation de la cadence des collisions entre protons.

Le LHC, c’est un formidable accélérateur de particules de 27 kilomètres de circonférence situé au Cern près de Genève. Après 3 ans de maintenance, l’énorme complexe s’est à nouveau ébranlé pour se lancer dès cet été dans un troisième run d’exploration de l’infiniment petit. Un run plein de promesses scientifiques (cf épisode 1), tant les performances de la machine ont été améliorées. L’accélérateur a ainsi gagné en énergie et en luminosité (cf épisode 2), mais les quatre détecteurs géants au cœur desquels les « projectiles » entrent en collision quasiment à la vitesse de la lumière, ne sont pas en reste. Tour d’horizon.

Ces quatre monstres de technologie, chacun composé d’un assemblage de sous-détecteurs complémentaires, ce sont ATLAS et CMS, deux détecteurs dits généralistes à qui l’on doit notamment la découverte du boson de Higgs, LHCb, spécialisé dans l’exploration des infimes différences entre matière et antimatière, et ALICE, dédié à l’étude du plasma de quarks et de gluons. Après ces trois années de jouvence, LHCb et ALICE sont comme neufs, prêts pour le run 3, mais également pour le suivant, au-delà de 2029. Les programmes de rénovation d’ATLAS et CMS ont été plus modestes dans l’attente de leur « grand carénage », programmé de 2026 à 2028.

De nouvelles « petites » roues à muons pour le géant ATLAS

Les modifications faites sur les deux détecteurs généralistes du LHC sont néanmoins notables. En témoigne par exemple le remplacement des deux « petites roues » d’ATLAS, deux disques placés à proximité de l’axe des faisceaux, qui constituent un élément de son spectromètre à muons. « Petites », c’est beaucoup dire s’agissant de deux détecteurs de 10 mètres de diamètre pesant 100 tonnes chacun ! Comme l’explique Philippe Schune, responsable scientifique du projet New small wheel à l’Irfu et membre d’ATLAS, « ce changement était indispensable pour faire face à l’accroissement progressif du flux de particules produits au LHC à partir du run 3, à la fois pour protéger les petites roues, mais également pour augmenter la capacité d’ATLAS à trier les événements intéressants du bruit de fond expérimental. »

Pour la conception des « nouvelles petites roues », les spécialistes ont mis en œuvre un cahier des charges des plus exigeants. Alors que les deux disques se trouvent à plusieurs mètres du point d’impact, ils doivent permettre de reconstruire la trace des muons à 50 micromètres près et leur impulsion avec une précision relative de 15 %, et ce alors que les faisceaux de protons s’entrecroisent dans le détecteur toutes les 25 nanosecondes !

Pour ce faire, les deux détecteurs sont constitués d’un patchwork de détecteurs gazeux selon deux principes différents, dont celui dit Micromegas, inventé au début des années 90 par Georges Charpak avec des personnes de l’Irfu. « La partie Micromegas de ces deux roues est constituée de 128 détecteurs de 8 à 12 mètres carrés chacun, pour une surface totale d’environ 1 400 mètres carrés », précise le physicien du CEA dont l’équipe a réalisé les 32 plus grands, soit plus du quart de la surface utile des deux roues.

Du fait de sa compétence reconnue dans le domaine de l’opto-mécanique micrométrique, l’institut du CEA a par ailleurs réalisé l’étalonnage mécanique de l’ensemble des détecteurs Micromegas des nouvelles petites roues. « S’agissant de structures multi-matériaux qui seront soumises à des gradients de température, leur conception, fabrication et assemblage ont constitué un important défi mécanique et métrologique pour garantir le positionnement de chaque détecteur à quelques dizaines de micromètres sur plusieurs mètres carrés », précise Philippe Schune.

Descente d’une New small wheel dans la caverne d’Atlas en juillet 2021. Image : CERN

Dix fois plus rapide

La précision est aussi ce qui a guidé les importantes transformations réalisées sur le détecteur ALICE. Son rôle : étudier les propriétés du plasma de quarks et de gluons (PQG), un état extrême de la matière, en recueillant les nuées de particules qui s’en échappent alors qu’il se refroidit avant de disparaître après avoir été engendré dans les collisions au sein du détecteur.

De ce point de vue, alors qu’ATLAS et CMS recherchent des événements rares, ALICE est intéressée par les propriétés collectives des événements et cherche à mesurer le produit de chaque collision. Si dans les précédentes périodes d’exploitation du LHC, l’expérience ALICE n’avait pas la capacité d’enregistrer des données à la cadence maximale permise par le LHC, les jouvences de ces dernières années ont pour objectif de multiplier par un facteur 10 la cadence de prise de données pour comprendre en détails la physique du PQG. « Alors que nous déclenchions à une fréquence de quelques kHz durant les runs précédents, nous allons maintenant pouvoir atteindre 50 kHz », précise Stefano Panebianco, à l’Irfu et membre d’ALICE.

Résultat : eu égard au temps de réponse du détecteur, désormais, sur chaque « cliché » qui en sortira, ce n’est pas l’image d’une unique collision que les spécialistes contempleront, mais entre 5 et 10 superposées l’une sur l’autre. Un enjeu majeur sera alors de distinguer respectivement chaque signal laissé par le passage d’une particule, alors que chaque collision engendre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de traces.

Le plus grand détecteur à pixels jamais construit

Pour y parvenir, une seule solution : augmenter la résolution spatiale à laquelle travaille ALICE. C’est la raison d’être de son nouveau trajectographe interne, ITS2, développé et construit pour partie par les laboratoires de l’IN2P3, dont le rôle est de capter la trajectoire des particules chargées issues du plasma au près du point de collision. Comme l’indique Antonin Maire, à l’Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien et membre d’ALICE, « il s’agit d’un détecteur cylindrique pixelisé, un peu comme un appareil photos, mais doté de 7 couches déployées autour du faisceau, incluant 13 milliards de pixels pour une surface de 10 mètres carrés, soit rien moins que le plus grand détecteur jamais construit dans cette technologie silicium. »

Alors que le précédent trajectographe affichait une granularité de 50 par 450 micromètres, celle d’ITS2 atteint 30 fois 30 micromètres. Par ailleurs, sa première couche est située à 2,2 centimètres du faisceau contre le double auparavant. Enfin, l’épaisseur de chaque couche de détection a été divisée par 3 afin de perturber le moins possible la mesure. De quoi documenter l’origine des trajectoires des particules à 5 micromètres près contre 10 à 15 au cours des runs précédents.

Installation du détecteur ITS au sein du détecteur ALICE en 2021. Image : CERN

Mais ce n’est pas tout. À une cinquantaine de centimètres du point d’impact, dans la direction vers l’avant du détecteur, les spécialistes ont également doté ALICE d’un nouveau détecteur, le Muon Forward Tracker (MFT), pour les aider à démêler les traces des muons issus de la désintégration des particules lourdes issues du plasma. De fait, jusqu’au run 2, le spectromètre à muons, placé derrière un absorbeur arrêtant toutes les autres particules, pâtissait d’une vision « floutée » par ce dernier élément. Placé devant l’absorbeur, MFT jouera ainsi le rôle de « verres correcteurs » pour le spectromètre.

Le détecteur MFT dans sa position finale autour du tube du faisceau à l’intérieur de l’expérience ALICE en 2020. Image : CERN

Une caméra à 1 milliards de pixels pour traquer les muons

Tout comme ITS2, MFT est une « caméra » à pixels. Constituée de 5 disques de diamètre croissants recouverts de puces actives sur leurs deux faces, avec son milliard de pixels, il permettra une résolution de 5 micromètres sur les trajectoires des particules. « Nous pourrons alors distinguer les hadrons contenant un quark charmé ou beau, soit directement issus du plasma et apportant par conséquent des informations sur ses propriétés les plus intimes, soit issus de désintégrations secondaires, précise Sarah Portebœuf-Houssais, au Laboratoire de physique de Clermont-Ferrand et membre d’ALICE, qui ajoute : C’est ainsi un nouveau champ de la physique du muon qui s’ouvre pour ALICE. »

Avec la décision de porter de 1 à 6 le nombre de collisions se produisant au sein du détecteur à chaque croisement de paquets de protons, LHCb fait face à une problématique comparable à celle d’ALICE. Comme le résume Renaud Le Gac, au Centre de physique des particules de Marseille et membre de LHCb, « sur chaque cliché pris par le détecteur se superposeront environ 200 traces issues de désintégrations multiples, le tout engendrant une combinatoire trop importante pour permettre de réattribuer ses fruits aux différentes collisions. »

À moins d’augmenter la résolution spatiale de l’instrument, ce à quoi se sont employés durant le dernier arrêt les experts qui opèrent LHCb. Ainsi, plusieurs éléments des détecteurs RICH 1 et RICH 2, qui servent à l’identification de certaines particules chargées, ont été changés. C’est aussi le cas de la totalité du détecteur VELO qui, au plus près de la collision, détecte les premiers segments de traces, de UT qui, un peu plus en aval, donne d’autres points de mesures de trajectoire, et de SciFi qui fait de même au-delà de l’aimant déflecteur, cet avant/après l’aimant permettant de préciser l’impulsion des particules.

Une toile de 11 000 km de fibres scintillantes

Le cas de SciFi est emblématique de la nouvelle stratégie de LHCb qui, outre une augmentation de la résolution de l’instrument, comprend également le principe d’une lecture complète des signaux déposés sur le détecteur à la cadence des collisions, soit 40 mégahertz, contre 1 mégahertz auparavant.

Large de 5 mètres et haut de 6, SciFi est composé de trois stations de 6 couches de fibres scintillantes de 250 micromètres d’épaisseur qui forment au total une « toile » de 11 000 kilomètres. « Dans la version précédente, le passage d’une particule à travers le détecteur se traduisait par un signal électrique dont le traitement est incompatible avec la nouvelle fréquence de lecture, d’où le recours à des fibres optiques », explique Renaud Le Gac.

Mise en place d’un boîtier électronique sur la partie basse d’un module du détecteur à fibres scintillantes (SciFi) de l’expérience LHCb. Le détecteur comprend un total de 256 boîtiers. Image : Patrick Dumas/CNRS / Photothèque IN2P3

Désormais, à chaque fois qu’une particule interagira avec une fibre, un signal lumineux se propagera jusqu’à une cellule de lecture où l’information sera immédiatement numérisée par un circuit intégré spécialisé, avant d’être transmise pour reconstruction en temps réels des événements à la cadence faramineuse de 40 térabits par seconde ! « Ce circuit intégré, mais également une carte de clusterisation de l’information lorsqu’une particule tape plusieurs fils et le système de refroidissement de l’électronique de lecture, sont l’œuvre du Laboratoire de physique de Clermont-Ferrand. Le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies, à Paris, a de son côté conçu une partie des cartes de lecture qui reçoivent les données de l’électronique frontale, complète le physicien qui commente : 11 000 kilomètres de fibres c’est du jamais vu, la cellule de détection c’est assez neuf, la température un véritable défi et le débit de l’information, c’est pas mal ! » Autant d’améliorations qui, s’ajoutant aux autres réalisées sur l’ensemble des quatre détecteurs du LHC, vont accroître les performances des expériences durant le run 3 qui s’annonce définitivement celui du renouveau pour l’accélérateur géant.

Mathieu Grousson (les Chemineurs)

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