Pour l’expérience ATLAS au CERN, physiciens et ingénieurs testent leurs sous-détecteurs en utilisant des particules venues de l'espace.
Au cours des trois dernières années d'exploitation, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a atteint une énergie de collision maximum de 8 TeV. Mais pour son redémarrage en 2015, le LHC atteindra 13 TeV, un nouveau défi pour les grands détecteurs ATLAS, CMS, ALICE et LHCb. Les sous-détecteurs de l’expérience ATLAS subiront toute une batterie de tests pour vérifier leur fonctionnement à haute énergie. Mais comment tester un détecteur de physique des particules polyvalent adapté à des collisions à haute énergie quand vous ne disposez pas de faisceaux en collision ? « Grâce aux rayons cosmiques », répond Alessandro Polini, coordinateur du programme d’ATLAS pour la prochaine exploitation.
Ces particules de haute énergie en provenance de l’espace sont principalement des protons (89%), mais on trouve aussi des noyaux d’hélium (10%) et des noyaux plus lourds (1%), allant jusqu’à l’uranium. L’énergie des rayons cosmiques primaires varie entre 1 GeV – l’énergie d’un accélérateur de particules relativement petit – et 108 TeV, c’est-à-dire beaucoup plus que l'énergie de faisceau au LHC. Les humains ne perçoivent pas ces particules, mais comme elles laissent des traces dans les détecteurs, les physiciens peuvent les utiliser pour étalonner et aligner les sous-détecteurs d’ATLAS lorsque le LHC est arrêté. « Si on observe des trous ou des traces qui ne sont pas alignées à certains endroits, c’est qu’il reste du travail à faire », explique Alessandro Polini.
Chaque sous-détecteur est paramétré et testé individuellement, avant d’être combiné avec d'autres sous-détecteurs et finalement installé dans l'expérience. « C’est un peu comme un orchestre : les différents instruments répètent chacun de leur côté, et nous les intégrons un par un, explique-t-il. Il faut d’abord les accorder et les préparer le mieux possible pour que le tout puisse fonctionner. »
ATLAS a récolté 27 femtobarns inverses de données (soit environ 2 × 10 15 collisions proton-proton) au cours de la première période d'exploitation du LHC, des données qui ont mené à la découverte du boson de Higgs et à de nombreux autres résultats. Pour la deuxième période d’exploitation, des paquets de protons seront accélérés à une énergie presque deux fois plus grande qu’auparavant et ils seront paramétrés pour entrer en collision dans le détecteur toutes les 25 nanosecondes. Cela représente jusqu’à 40 millions de collisions par seconde, soit deux fois plus que lors de la première phase d’exploitation.
Alessandro Polini annonce qu’une « répétition générale » aura lieu en novembre, avec une grande campagne de détection des rayons cosmiques, qui aura lieu lorsque toutes les couches du détecteur auront été assemblées et que les champs magnétiques auront été activés. « ATLAS sera alors prêt pour jouer sa symphonie », indique-t-il.