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[Reportage] Comment le grand collisionneur de hadrons du CERN se prépare aux assauts des particules

Xavier Boivinet

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[Reportage] Comment le grand collisionneur de hadrons du CERN se prépare aux assauts des particules

Les "petites roues" du détecteur Atlas sont en cours d'assemblage. Elles seront équipées de détecteurs de muons plus précis que ceux en place jusqu'à présent.

© Xavier Boivinet

Le grand collisionneur de hadrons (LHC) du Conseil européen pour la recherche nucléaire (Cern) est en cours de maintenance depuis fin 2018. Ses instruments qui détectent les particules émises lors de chocs de protons ou d'ions lourds subissent des modifications en prévision des prochaines phases d'expérimentation. Celles-ci verront le nombre de données récupérées d'abord doubler, puis décupler. Industrie & Technologies vous emmène découvrir comment les instruments gagnent en résolution et en tenue face aux futurs flux des particules.

Après deux phases d’exploitation de 2010 à 2012 et de 2015 à 2018, le grand collisionneur de hadrons (LHC), plus grand accélérateur de particules opéré par le Conseil européen pour la recherche nucléaire (Cern) situé à Genève, est à l’arrêt depuis fin 2018 et jusqu’à mai 2021. L’objectif est de mener des travaux de maintenance pour préparer la troisième phase d’opérations qui se déroulera entre 2021 et 2024, et anticiper la suivante prévue entre 2027 et 2037. Durant ces deux phases, les chercheurs espèrent successivement doubler puis décupler la quantité de données utiles.

Obtenir plus de données implique d’augmenter le taux utile de particules reçues au niveau des détecteurs positionnés le long de l’accélérateur, c’est-à-dire augmenter la « luminosité » de la machine. Ces particules étant le fruit de collisions entre des paquets de protons ou d’ions lourds accélérés qui s’entrechoquent au niveau des détecteurs, augmenter la luminosité nécessite de multiplier les collisions. Les particules créées au niveau des chocs sont émises dans toutes les directions et traversent les détecteurs.

L'augmentation de la luminosité impose des modifications au niveau des quatre principaux détecteurs : Atlas et CMS, qui mènent des expériences similaires dites « généralistes », et Alice et LHCb qui mènent des expérimentations plus spécifiques. « Ils ont été conçus avec un cahier des charges qui répondait aux conditions de fonctionnement jusqu'à aujourd'hui, précise Laurent Vacavant, directeur adjoint scientifique de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) au CNRS. Il faut maintenant les changer pour augmenter leur résolution et améliorer leur tenue au flux de particules. » En effet, celles-ci finissent par les endommager.

Chaque détecteur est composé de plusieurs capteurs organisés en couches successives, tel un oignon. Il s’agit de capteurs de trajectoires, de calorimètres qui donnent des informations sur l’énergie des particules, et de capteurs de muons. Tour d’horizon des travaux en cours sur ces différents éléments.

Les nouvelles « petites roues » d’Atlas

Les deux « petites roues » en cours d’assemblage remplaceront celles en place depuis le début dans le détecteur Atlas. Il s’agit de capteurs de muons situés de chaque côté du détecteur cylindrique de 46 mètres de long pour 25 mètres de diamètre. La détection des muons se fait au niveau de « pétales » remplis de gaz qui s’ionise au passage des particules. Ces « pétales » sont en fait un sandwich de plusieurs couches de détection. Deux d’entre elles sont des nouveaux détecteurs appelés Micromegas, plus précis que leurs prédécesseurs. « La difficulté a été d’obtenir des surfaces très grandes et très planes et d’en faire des centaines de manière reproductible et quasi industrielle », indique Henri Bachacou, physicien au CEA.

CMS intensifie la chasse aux muons

Après avoir modifié les calorimètres - qui mesurent la grosseur des gerbes de particules créées lors des collisions pour en déduire des informations sur leur énergie - pour une meilleure résolution et prévenir leur détérioration, les travaux actuels sur le détecteur CMS se concentrent sur les capteurs de muons. Il s’agit d’améliorer l’électronique, de rechercher et de limiter les fuites de gaz nocifs pour la couche d’ozone qu'ils utilisent (essentiellement des gaz fluorés) et de mettre en place des détecteurs qui serviront pour la phase suivante (entre 2027 et 2037). Ceux-ci couvriront certains angles morts à travers lesquels passaient les muons sans être détectés jusqu’à présent.

Alice améliore la détection des trajectoires

Si le détecteur Alice est éventré, c’est en partie parce que son ancien capteur destiné à détecter la trajectoire des particules a été entièrement retiré pour être exposé (photo ci-dessous). Il sera remplacé par un nouveau, similaire mais dont les capteurs en silicium ont été développés en partenariat avec le fondeur israélien TowerJazz. « Nous avons repoussé les limites de ce qu’ils étaient capable de faire », affirme Stefano Panebianco, ingénieur-chercheur au sein de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (Irfu) au CEA. Le but est d’améliorer la résolution, c’est-à-dire le nombre de pixels, pour gagner en précision. Un deuxième détecteur a été retiré du cœur d’Alice : une « chambre à projection temporelle » remplie de 80 m3 de gaz. Elle est actuellement en salle blanche pour être remise au goût du jour.

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