The ATLAS New Small Wheels (NSW) detectors
The ATLAS New Small Wheels (NSW) being assembled in building 191. At the time of the photo, work is still in progress to complete the wheel with eight 'wedges' or 'slices' before it is installed in the ATLAS cavern. The small wheel detectors are vital in tracking muon particles. (Image: CERN)

Les améliorations apportées à ATLAS pendant le LS2

Les principales améliorations apportées à l'expérience ATLAS pendant le deuxième long arrêt (LS2)

L’expérience ATLAS

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Le détecteur ATLAS en janvier 2022. (Image: CERN)

ATLAS est le plus grand détecteur de particules auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il a été conçu pour étudier le plus grand éventail possible de phénomènes de physique. Il s'intéresse à des questions encore sans réponse concernant notre Univers : l'origine de la masse, avec le boson de Higgs, l'existence de possibles dimensions supplémentaires, ou encore la recherche de nouvelles particules qui pourraient former la matière noire.

Pour construire le détecteur ATLAS, qui mesure 46 mètres de long et 25 mètres de diamètre, et pèse 7 000 tonnes, il a fallu repousser les limites de la technologie de l'époque.

Plus de 5 500 scientifiques issus de 245 instituts, représentant pas moins de 42 pays, travaillent sur l’expérience ATLAS (mars 2022).

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(Image: CERN)

Améliorations réalisées pendant le LS2

1. Nouvelles petites roues à muons

Le système NSW d'ATLAS (nouvelles petites roues) est constitué de deux détecteurs en forme de roue, placés aux extrémités opposées de l’expérience. Il fait partie intégrante du spectromètre à muons d'ATLAS, conçu pour sélectionner et suivre les particules appelées muons qui traversent le détecteur de façon presqu'imperceptible. Pour mieux se représenter les choses, on peut imaginer le détecteur comme un oignon, dont le spectromètre à muons constituerait la membrane externe.

Chaque roue (on parle de roue par analogie avec les « grandes roues » de 25 mètres d'ATLAS) pèse plus de 100 tonnes et mesure près de 10 m de diamètre.

2. Nouveau système de lecture pour les nouvelles petites roues

Chacune des nouvelles petites roues est composée de 16 coins, ou secteurs, couverts de plusieurs couches de chambres de détection. Les capacités de lecture de l'ensemble du système sont impressionnantes : deux millions de canaux de lecture pour les chambres Micromégas (MM) et 350 000 canaux de lecture électroniques pour les chambres à petites bandes et à intervalles fins (sTGC). Les chambres MM et sTGC 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 nouvelles petites 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 LHC à haute luminosité (HL-LHC).

3. Calorimètre à l'argon liquide (LAr)

Le nouveau calorimètre à l'argon liquide, situé au cœur de l'expérience ATLAS, mesure les particules chargées et neutres sur une large gamme d'énergies (allant de 350 Mev à 3 TeV environ). Il joue un rôle critique dans le système de sélection des évènements d'ATLAS – également appelé système de « déclenchement » – dans la mesure où il fournit rapidement les mesures de l'énergie utilisées pour choisir les collisions méritant d'être enregistrées et étudiées.

Une nouvelle électronique va permettre d'améliorer la sélection, un aspect essentiel pour l'exploitation future du HL-LHC, dans la mesure où le système de déclenchement du calorimètre électromagnétique devra avoir une plus grande résolution. Le remplacement de certains éléments de l'électronique frontale a permis d’affiner quatre fois plus la segmentation au niveau du déclenchement ; il sera ainsi possible de mieux écarter les jets tout en conservant les électrons et les photons.

 

 

 

4. Système de déclenchement et d’acquisition de données (TDAQ)

À l'intérieur de l'expérience ATLAS, les protons des paquets entrent en collision jusqu'à 40 millions de fois par seconde. Seule une partie de ces collisions sont intéressantes pour la recherche. Aussi le détecteur ATLAS doit-il décider quels évènements doivent être gardés à des fins d'analyse.

Cette décision revient au système de déclenchement et d’acquisition de données (TDAQ), un système complexe dont les matériels et logiciels ont été mis à niveau pour permettre au système de déclenchement de détecter davantage de collisions tout en conservant le même taux d'acceptation. 

5. Nouvelles chambres à muons au cœur d'ATLAS 

Les nouvelles chambres à muons – dont 8 modules de petits tubes à dérive à correction (sMDT) et 16 chambres à plaques résistives (RPC) nouvelle génération – ont été installées dans l'expérience. Ces nouveaux détecteurs amélioreront la couverture générale du déclenchement aux muons d'ATLAS en prévision du HL-LHC.

6. Détecteur de protons aux petits angles d'ATLAS (spectromètre AFP)

Le nouveau spectromètre AFP (détecteur de protons aux petits angles), dont la conception a été repensée, est situé de part et d'autre de la caverne principale d'ATLAS, à 200 mètres en aval du point de collision. Ses détecteurs utilisent la technologie des pixels au silicium du type 3D ainsi que des détecteurs Tchérenkov de temps de vol à quartz haute précision, qui rejoignent directement le tube de faisceau du LHC, à deux millimètres seulement du faisceau de protons. Si un proton diffusé émet un photon et perd quelques pourcents de son énergie, les aimants du LHC dévient le proton dans le spectromètre AFP. Les protons diffusés font partie des particules de la plus haute énergie mesurées au LHC.

La conception du détecteur de temps de vol de l'AFP a été repensée pour qu'il puisse être inséré dans la ligne de faisceau du LHC, tout en maintenant hors du vide du LHC les dispositifs de mesure des photons de l'AFP (MCP-PMT). Cette nouvelle conception améliore l'environnement dans lequel fonctionne l'AFP et permet aux scientifiques d'accéder plus facilement à son électronique.

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