View in

English

Un alignement parfait pour le trajectographe interne d'ATLAS

Le trajectographe interne d'ATLAS peut mesurer la position des particules chargées avec une précision supérieure au centième de millimètre. Pour cela, il faut que l'alignement du détecteur soit effectué avec une précision au moins égale

|

The ATLAS pixel detector, the most inner part of the inner detector installed in the cavern, June 2007
La couche la plus centrale du trajectographe interne d'ATLAS : le sous-détecteur à pixels. (Image: CERN)

La précision est indispensable au succès d'une expérience. Mais comment faire pour suivre la trajectoire d'une particule lorsque le détecteur n'arrête pas de bouger ? C'est la question qu'il a fallu résoudre pour le trajectographe interne de l'expérience ATLAS durant la deuxième période d'exploitation du LHC (2015–2018).

Situé au cœur de l'expérience, le trajectographe interne d'ATLAS est capable de mesurer la position des particules chargées qui le traversent avec une précision supérieure au centième de millimètre. Pour cela, il faut que l'alignement du détecteur soit effectué avec une précision au moins égale. Dans un article récent, des physiciens d'ATLAS détaillent les solutions complexes qu'ils ont mis au point pour assurer la précision de l'expérience.

Le trajectographe, objet de 2 m de hauteur et de 6 m de longueur, est composé de trois sous-détecteurs comportant des pixels en silicium à forte granularité, des rubans de silicium et des pailles. Lorsque les particules chargées traversent le détecteur, elles laissent derrière elles une trace constituée de petits dépôts d'énergie dans chaque sous-détecteur, ce qui permet par la suite de reconstituer leur trajectoire.

Or, ces détecteurs sont loin d'être stationnaires. Pendant les collisions à haute intensité qui se produisent dans le LHC, ils peuvent se déplacer en raison de fluctuations de température ou de changement de l'intensité du champ magnétique. Les scientifiques d'ATLAS ont constaté que certaines parties du détecteur présentaient des indices montrant de brefs déplacements. Lorsque les puces électroniques des sous-détecteurs enregistrent des données – jusqu'à 100 000 fois par seconde – elles doivent utiliser une certaine puissance électrique, ce qui provoque une hausse de température au centre du détecteur ATLAS.

Dans la couche située au plus près du cœur du trajectographe, c'est-à-dire dans le sous-détecteur à pixels, cet effet est particulièrement prononcé. L'excédent de chaleur provoque l'ébullition du fluide de refroidissement des pixels, ce qui entraîne un changement rapide de sa masse. Le pixel se déplace de façon significative pendant la première heure d'acquisition de données, jusqu'au moment où l'équilibre thermique entre le sous-détecteur et le système de refroidissement est atteint. À mesure que diminue l'intensité des collisions, la dissipation de chaleur diminue également. Le fluide de refroidissement du pixel reprend alors sa forme liquide, ce qui accroît la masse totale du sous-détecteur et entraîne un lent déplacement dans la direction opposée.

Pour résoudre ce problème, les physiciens d'ATLAS ont dû mettre au point un nouveau système d'alignement automatisé pour le trajectographe interne. Cet alignement dynamique se réactualisera lors de chaque cycle d'exploitation du LHC, en corrigeant de façon appropriée les données enregistrées par ATLAS. De nouvelles constantes d'alignement sont calculées toutes les 20 minutes au cours de la première heure d'acquisition de données, puis toutes les 100 minutes.

Cette technique d'alignement innovante a permis aux physiciens d'ATLAS de continuer à enregistrer des données avec une précision inégalée tout au long de la deuxième période d'exploitation. Les physiciens préparent à présent le trajectographe interne pour la prochaine étape : la troisième exploitation du LHC, dont le démarrage est prévu début 2022.

Inner Detector,Technology,Physics,Plots or Distributions,Detectors,ATLAS
Verticalité du sous-détecteur à pixels au cours d'un seul cycle d'exploitation du LHC. La ligne bleue en pointillé représente la position moyenne. La luminosité instantanée apparaît en vert. (Image: ATLAS Collaboration/CERN)

_____

Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de l'expérience ATLAS.