Comment le détecteur ATLAS se prépare-t-il pour l’avenir ? Lorsque le complexe d’accélérateurs du CERN a été arrêté, en décembre 2018, les scientifiques et techniciens d’ATLAS se sont rapidement mis au travail pour ouvrir le puits qui mène du niveau du sol à la caverne d’ATLAS, ainsi que pour ouvrir le détecteur lui-même. Ils procéderont à des travaux de maintenance et d’amélioration du détecteur pendant les deux années à venir, laps de temps prévu par le CERN pour un arrêt technique appelé deuxième long arrêt (LS2). Certaines de ces améliorations sont réalisées dans le cadre du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC), l’amélioration du Grand collisionneur de hadrons (LHC) qui doit fonctionner à partir de 2026. Avec ce projet, le rythme des collisions de particules augmentera drastiquement, ce qui entraînera des rythmes de lecture plus élevés et créera davantage d’occasions pour des découvertes en physique.

ATLAS est la plus grande des expériences du LHC. Installée entre 2003 et 2008, elle a, comme l’expérience CMS, la mission de comprendre les propriétés du boson de Higgs et de chercher une nouvelle physique.

De nouvelles roues pas si petites

L’une des améliorations majeures de l’expérience sera l’installation de deux nouveaux détecteurs en forme de roues, qui serviront à traquer les particules appelées muons. Les muons peuvent être représentés comme des cousins plus lourds des électrons ; ils traversent les parties internes du détecteur en ne subissant que peu de perturbations. Pour mieux se représenter les choses, on peut imaginer le détecteur comme un oignon, dont le spectromètre à muon constituerait la membrane externe. Les muons qui s’échappent à des angles de moins de 40 degrés par rapport à la trajectoire du faisceau sont mesurés par une série de trois couches de sous-détecteurs, et la couche située le plus à l’intérieur est appelée la petite roue car elle mesure « seulement » 9,3 mètres de diamètre.

Les nouvelles roues amélioreront les capacités de déclenchement d’ATLAS, et elles seront en mesure de supporter le nombre de muons plus élevé qui est attendu avec le HL-LHC. Chaque roue est composée de 16 coins, ou secteurs, couverts de plusieurs couches de chambres de détection, appelées chambres Micromégas (MM) et chambres à petites bandes et à intervalles fins (STGC). Les chambres MM et STGS ont toutes deux d’excellentes capacités en matière de trajectographie de précision, du niveau de 100 micromètres, et un très bon temps de réponse, élément nécessaire pour déterminer précisément le moment de chacune des collisions.

Les éléments sont actuellement assemblés en surface, et les roues seront ensuite transportées puis descendues à travers le puits, jusqu’au détecteur ATLAS. L’une des petites roues actuelles a été remontée à la surface la semaine dernière, et il est prévu que la première des nouvelles petites roues entre dans la caverne d’ATLAS au printemps 2020.

Un remodelage d’ATLAS à tous les niveaux

L’amélioration du système de détection des muons sera accompagnée de l’ajout de 16 nouvelles stations, qui doivent améliorer les capacités d’ATLAS à détecter les muons dans la région située entre le tonneau et les bouchons. Ces stations contiennent de petits tubes à dérive à correction (SMDT) remplis de gaz et des chambres à plaques résistives (RPC). Les physiciens peuvent ainsi suivre les muons en enregistrant la trace des particules électriquement chargées créées par leur passage à travers le gaz. La reconstitution des trajectoires des muons sera améliorée par le recours à des tubes à dérive à correction ayant des diamètres plus petits ainsi qu’à des chambres à plaques résistives de nouvelle génération ayant une plus petite épaisseur d’électrodes.

L’une des autres grandes améliorations prévues pendant le LS2 est le remplacement de certains composants de l’électronique frontale du calorimètre à argon liquide (LAr). Cela améliorera la capacité d’ATLAS à conserver les signaux importants issus d’électrons et de photons. L’amélioration des systèmes de déclenchement et d’acquisition de données est également prévue ; elle préparera l’expérience en vue du HL-LHC.

En parallèle aux travaux menés sur le détecteur, les travaux de construction se poursuivent eux aussi à un rythme soutenu autour d’ATLAS, à la fois en surface et sous terre, en prévision du HL-LHC. L’excavation d’un puits de 62 mètres de profondeur vient d’être achevée et les ingénieurs en génie civil s’occupent à présent de l’excavation d’une caverne de service et de galeries, qui abriteront de nouveaux équipements.

Si un grande nombre des améliorations et installations concernant ATLAS auront lieu seulement pendant le troisième long arrêt (LS3), qui doit commencer en 2024, les activités qui seront menées pendant les deux années à venir feront déjà d’ATLAS un détecteur plus performant, prêt à enregistrer des données lorsque le LHC redémarrera, en 2021.

Pour en savoir plus, lisez l’article « ATLAS upgrades in LS2 » dans le dernier numéro du CERN Courier (en anglais), la page ATLAS News (en anglais), et les nouvelles d’ALICE, CMS et LHCb.

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