Lorsqu’ils sont produits dans les collisions au cœur du Grand collisionneur de hadrons (LHC), les muons, des particules lourdes qui interagissent faiblement, filent sans s’arrêter à travers les couches internes de CMS. Ces particules peuvent être observées à l’aide de détecteurs spéciaux disposés autour du dispositif cylindrique, détecteurs où elles sont les particules les plus susceptibles de produire un signal. Même si CMS, comme son nom (Compact Muon Solenoid en anglais) l’indique, a été conçu pour pouvoir observer avec une grande précision presque tous les muons produits en son sein, cette opération deviendra plus complexe dans quelques années. En effet, le LHC à haute luminosité (HL-LHC), qui sera exploité à partir de 2026, produira en moyenne plus de cinq fois plus de collisions proton-proton simultanées que la machine actuelle. Pour faire face à cet accroissement du débit de données, divers éléments de CMS, y compris le système à muons, font l’objet d’améliorations pendant l’actuel deuxième long arrêt (LS2) du complexe d’accélérateurs du CERN.

Les détecteurs de muons contiennent différents mélanges de gaz qui s’ionisent au passage de muons de haute énergie, révélant ainsi la position du muon à un instant donné. Le système à muons de CMS a utilisé à ce jour trois types de détecteurs différents : tubes à dérive, chambres à rubans cathodiques et chambres à plaques résistives. Il y a une dizaine d’années, au moment où CMS a commencé à recueillir des données sur les collisions dans le LHC, il a été décidé de construire un tout nouveau type de détecteur, appelé multiplicateur d’électrons dans le gaz (GEM), pour améliorer les capacités de détection des muons de CMS en prévision du HL-LHC. Après de nombreux travaux de R&D, les premiers multiplicateurs d’électrons dans le gaz ont été assemblés et testés sur le site de Prévessin du CERN, dans une installation de fabrication spécialement consacrée. En juillet, deux de ces 72 « superchambres » GEM ont été soigneusement transportées au point 5 et installées sur l’expérience CMS. Lors du transport, une bouteille de gaz avait été attachée sur chaque détecteur pour qu’il puisse continuer à « respirer » de l’air inerte. Les 70 autres superchambres seront installées plus tard au cours du LS2.

« Les multiplicateurs d’électrons dans le gaz représentent une nouvelle technologie pour CMS et la troisième période d’exploitation du LHC sera l’occasion d’évaluer leur performance », explique Archana Sharma, qui dirige l’équipe CMS-GEM depuis 2009. « Bien entendu, il ne s’agit pas seulement de les tester. Les premiers détecteurs GEM fonctionneront avec les chambres à rubans cathodiques existantes pour apporter des informations précieuses pour le déclenchement, ce qui nous permettra de sélectionner les collisions les plus intéressantes. » Deux stations GEM supplémentaires, comptant respectivement 288 et 216 modules, seront installées ces prochaines années, à temps pour l’exploitation du HL-LHC.

C’est en prévision du HL-LHC que l’équipe responsable du système à muons améliore l’électronique des 180 chambres à rubans cathodiques les plus proches de la ligne de faisceau. « Nous avons déjà retiré, remis à neuf et réinstallé 54 chambres à rubans cathodiques cette année », précise Anna Colaleo, responsable du système à muons de CMS. « Les travaux de remplacement de l’électronique d’un autre lot de chambres à rubans cathodiques sont en cours et devraient être achevés d’ici l’été 2020. »

Pendant le LS2, les équipes de CMS réalisent également des opérations de maintenance vitales sur les autres détecteurs de muons. Comme on pouvait s’y attendre, certains de leurs éléments se sont légèrement détériorés après plusieurs années d’exploitation. L’étanchéité des chambres à plaque résistives a été améliorée afin de réduire les fuites de gaz, tandis que certains éléments des tubes à dérive et des chambres à plaques résistives, qui étaient cassés, ont été remplacés. De même, un blindage contre les neutrons est à présent ajouté sur les tubes à dérive situés sur le tonneau central afin de protéger CMS du bruit de fond issu des neutrons, causé par l’interaction du faisceau de particules avec le tube de faisceau.

À 18 mois de l’achèvement du deuxième long arrêt, le site de CMS au point 5 du LHC est en pleine effervescence et la collaboration se prépare activement pour la troisième exploitation du LHC, et au-delà.

Des photos sur l'installation des chambres à muons GEM sont disponibles sur CDS