FASER* (Forward Search Experiment), la plus récente des expériences du CERN, est à présent installée dans le tunnel du LHC, deux ans seulement après avoir été approuvée en mars 2019 par la Commission de la recherche du CERN. Le détecteur FASER est conçu pour étudier les interactions des neutrinos de haute énergie et découvrir de nouvelles particules légères interagissant faiblement. Ces particules sont produites pour la plupart tout près de l'axe de collision du faisceau et peuvent être des particules à longue durée de vie, qui parcourent des centaines de mètres avant de se désintégrer. L'existence de ces nouvelles particules est prédite par de nombreux modèles au-delà du Modèle standard, qui s'efforcent de résoudre certaines des plus grandes énigmes de la physique, comme la nature de la matière noire, et l'origine de la masse des neutrinos.

FASER est situé dans l'axe de collision du faisceau, à 480 mètres du point d'interaction d'ATLAS, dans un tunnel de service inutilisé qui reliait auparavant le Supersynchrotron à protons au collisionneur LEP, une position idéale pour détecter le produit de la désintégration des particules légères interagissant faiblement.

Les premiers travaux en génie civil ont débuté en mai 2020. « En raison de la géométrie en pente du tunnel, l'axe de collision du faisceau se trouvait en fait sous terre », explique Jamie Boyd, co-porte-parole de l'expérience FASER. « Des mesures prises par l'équipe de métrologie du CERN ont montré qu'il suffisait de creuser une tranchée d'une profondeur de 50 centimètres pour loger le détecteur FASER, d'une longueur de 5 mètres. » Les premiers services et systèmes d'alimentation électrique ont été mis en place l'été et, en novembre, c'était au tour des trois aimants du détecteur.

Une expérience plutôt simple
À l'entrée du détecteur, deux stations à scintillateurs servent à exclure les particules chargées qui traversent le mur de la caverne depuis le point d'interaction d'ATLAS, qui sont principalement des muons de haute énergie. On trouve ensuite un aimant dipôle d'une longueur de 1,5 mètre, qui constitue l’espace de désintégration des particules à longue durée de vie, qui se désintègrent en une paire de particules de charges opposées. À l’espace de désintégration succède un spectromètre constitué de deux aimants dipôles d'une longueur d'un mètre chacun, et de trois stations de trajectographie, une à chaque extrémité du spectromètre et une entre les deux aimants. Chaque station de trajectographie est composée de couches de détecteurs de précision à rubans de silicium. Les stations à scintillateurs utilisées pour le déclenchement et les mesures précises du temps sont situées à l'entrée et à la sortie du spectromètre.

Le dernier élément est le calorimètre électromagnétique, qui identifiera les électrons et les photons de haute énergie et mesurera l'énergie électromagnétique totale. L'ensemble du détecteur est refroidi à 15 °C par une station de refroidissement indépendante.

« FASER utilise des pièces de rechange fournies par les expériences ATLAS (pour le trajectographe) et LHCb (pour le calorimètre), c’est ce qui a permis de l'installer si vite après l’approbation du projet, pendant le deuxième long arrêt », souligne Jamie Boyd.

FASER comportera également un sous-détecteur, FASERν, spécialement conçu pour détecter les neutrinos. Aucun neutrino produit dans un collisionneur de particules n'a jamais pu être détecté, alors que les collisionneurs en produisent en grand nombre et à des énergies élevées. FASERν est constitué de films d'émulsion et de plaques de tungstène, et sert à la fois de cible et de détecteur pour observer les interactions de neutrinos. FASERv devrait être prêt à être installé d’ici à la fin de l’année. L'expérience dans son ensemble commencera à acquérir des données à compter de 2022, durant la troisième période d'exploitation du LHC.

« Nous sommes très heureux de voir ce projet se réaliser si rapidement et sans accrocs », ajoute Jamie Boyd. « Bien entendu, tout cela n’aurait pas été possible sans l'aide des spécialistes des nombreuses équipes du CERN ! »

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*La collaboration FASER compte 70 membres de 19 instituts et de huit pays. L'expérience FASER est soutenue par les Fondations Heising-Simons et Simons.