Vue d'ensemble du solénoïde
Durant les dernières décennies, la recherche fondamentale en physique des particules a fait d'énorme progrès et a permis de valider un cadre théorique appelé "Modèle Standard ». Mais il laisse de trop nombreuses questions en suspens : la matière et l’antimatière étant les images symétriques exactes l’une de l’autre, elles auraient dû s’annihiler totalement pour ne laisser que l’énergie. Pourquoi alors reste-t-il un excès de matière qui a pu former les galaxies, le système solaire et … nous-mêmes ? Comment les particules fondamentales ont-elles acquis leur masse, alors qu’elles n’en avaient pas à leur origine ? La mise en évidence de processus nouveaux et de nouvelles particules modifierait notre compréhension de la matière et de l’énergie : en particulier le champ de la particule « boson de Higgs » pourrait avoir conféré leur masse à toutes les autres. D’autres nouvelles particules sont attendues dans le cadre des extensions du modèle standard comme par exemple une particule pour expliquer la matière noire dont l'existence est suggerée par plusieurs mesures astrophysiques et cosmologiques, les particules de la supersymétrie, théorie qui associe à toutes les particules des partenaires, dotées de propriétés différentes mais apparentées ou bien les particules des dimensions supplémentaires de l’espace-temps ou bien encore des trous noirs miniatures.
Les activités d’analyse passées et présentes du groupe CMS de Saclay couvrent plusieurs domaines avec une prédominance pour la physique du boson de Higgs. Les mesures de précision dans le cadre du modèle standard et des recherches de nouvelles particules constituent les autres volets des activités d'analyse du groupe CMS de Saclay.
Pour le détecteur CMS, le groupe de Saclay est responsable de la conception, fabrication et mise en service du système d'étalonnage, par injection de lumière laser, du calorimètre électromagnétique (ECAL) à cristaux de tungstate de plomb et de son suivi en ligne de manière permanente. Il est également responsable du développement, de la mise en service et de la maintenance du dispositif électronique hors détecteur nommé le processeur de lecture sélective pour le calorimètre électromagnétique (SRP – Selective Read-out Processor). Pour chaque événement accepté par le premier niveau du système de déclenchement de l’expérience, le SRP permet d'alléger en temps réel la quantité des données brutes du calorimètre avant leur envoi vers le système d’acquisition.
Concernant les améliorations du détecteur CMS pour la phase haute luminosité du LHC i.e. les upgrades phase 2 du HL-LHC, le groupe CMS de Saclay s'est impliqué dans les études, le développement et la fabrication de l’électronique frontale de la partie tonneau du calorimètre électromagnétique. De plus les calorimètres bouchons de CMS vont être entièrement modifié pour cette phase HL-LHC. En mai 2015 CMS a opté pour un calorimètre dense silicium/tungstène à très haute granularité dit HGCAL résistant aux radiations. Le groupe CMS de Saclay s'est également impliqué dans ce projet en prenant la responsabilité des études et du développement du système électronique de distribution précise de l'horloge du LHC, incluant la partie TDC de l’électronique frontale du HGCAL, ceci afin de garantir la synchronisation des voies électroniques de HGCAL et la détermination précise du temps de vol des particules. Le développement du système de distribution d'horloge peut dépasser le cadre de HGCAL et se généraliser à d'autres détecteurs de CMS. Le groupe CMS de Saclay s'est aussi impliqué dans l’étude des algorithmes des primitives de déclenchement pour les jets dans HGCAL et de leur implémentation dans des firmwares (FPGA).
Enfin, plus récemment, le groupe CMS de Saclay s'est impliqué dans le projet de détecteur de timing qui sera installé entre le trajectographe et le calorimètre. Le groupe a pris la responsabilité des études et du développement du système électronique de distribution précise de l'horloge du LHC ainsi que celle de l'acquisition des données.
Contribution Irfu :
Bobine :
Étude, suivi de production, installation et validation.
(Plus de détails dans la fiche projet CMS-solénoïde)
Fibres optiques conçues pour une distribution homogène de lumière dans les cristaux lors de l'étalonnage du calorimètre électromagnétique de CMS.
Calorimètre électromagnétique :
- R&D sur les photodétecteurs APD (photodiodes à avalanche) (Sédi/SPP)
- R&D sur les cristaux (collaborationCrystal-Clear)
- Étude, développement, installation, test et exploitation des données du système de monitorage de transparence des cristaux. (Sédi/SPP):
Bien que les cristaux utilisés dans le calorimètre électromagnétique de CMS soient résistants aux radiations, ils subissent néanmoins une perte de transparence sous irradiation à cause de la formation de centres colorés dû à des défauts qui apparaissent dans la structure cristalline.
Nous avons développé un système de mesure en temps réel de la transparence de chaque cristal qui permet de corriger la réponse du détecteur et ainsi maintenir sa stabilité avec une précision de quelques pour-mille sur une période de l’ordre du mois.
Cette mesure se fait grâce à l’injection de lumière laser sur la face avant de chaque cristal et en lisant la réponse du photo-détedteur associé. La quantité de lumière envoyée est mesurée par une diode PN de référence.
Pour atteindre ces performances, il a fallu développer un système de distribution de lumière par fibre optique avec plusieurs étages d’homogénéisation de la lumière afin d’éviter la propagation de problèmes de cohérence de photons.
Une électronique spécifique a été développée pour lire les diodes PN de référence : un préamplificateur bas bruit en technologie DMILL (FEM) ainsi qu’un module de numérisation et d’interface avec le système d’acquisition de CMS (MEM)
- Étude, développement, installation, test et exploitation des données du processeur de lecture sélective (Sédi/SPP):
Dans l’expérience CMS, une lecture complète du calorimètre électromagnétique représente un bloc de données de 1,5 Mo, ce qui est supérieur à la taille allouée au détecteur complet. Afin de réduire la part du ECAL dans l’événement, sans introduire de biais dans les analyses de physique, nous avons développé un processeur de lecture sélective (SRP), qui permet de ne lire que les régions intéressantes dans le ECAL. Ceci permet de réduire la taille occupée par les données du ECAL d’un facteur 20.
Le SRP reçoit les informations du système de sélection et envoie au système de lecture les identifiants des régions à fort intérêt qu’il faut lire en totalité, et les autres régions sur lesquelles une suppression de zéros peut être appliquée.
La difficulté technique de ce développement se situe au niveau des communications avec les autres systèmes du ECAL. Un protocole basé sur des liaisons séries par fibres optiques à très haut débit a été mis en œuvre dans ce projet, ce qui a permis d’étendre le savoir faire du Sédi.
Ce protocole a été ensuite repris par l’expérience CMS pour développer le « Global Trigger ».
Le SRP est constitué de cartes VME 6U, chaque partition du ECAL étant traité par 3 modules de 3 cartes
- Étude, fabrication et mise en oeuvre du système d'enfournements des supermodules du calorimètre électromagnétique dans l'expérience CMS.
les triplets de cartes VME du processeur de lecture sélective développé pour l'acquisition des données du calorimètre électromagnétique de CMS
Moyens d’investigation:
Pour étudier les limites du Modèle Standard et répondre au grandes questions de la physique moderne (hiérarchie des masses, obtention des masses par les particules, matière et énergie noire de 'univers, asymétrie matière-antimatière, ...), il faut reproduire les conditions qui régnaient au début de l'univers, c'est à dire des conditions de températures très élevées. Pour cela, le LHC accélère des protons à des énergies jamais atteintes aujourd'hui et les faire entrer en collision de manière frontale au coeur de grands détecteurs comme CMS.
Description technique:
Le LHC produit des interactions proton-proton toutes les 25 ns, avec plus d'une dizaine de collisions par interaction. Ce qui produit plusieurs dizaines de millions d'événements à traiter par seconde. De plus, les événement recherchés étant très rares, il faut éliminer en temps réel les interactions sans intérêt physique. Ceci est réalisé par un système de sélection en ligne très performant. Pour analyser les produits des collisions proton-proton, il faut un détecteur capables de reconnaître chaque type de particule produite.
Fonctionnement:
Dans CMS, un champ magnétique solénoïdale intense, produit par une bobine supraconductrice, dévie les particules chargées. Un trajectomètre en silicium placé au centre du détecteur permet de mesurer la courbure de ces trajectoires et donc de reconstruire la quantité de mouvement des particules.
Autour du trajectomètre, est installé un calorimètre électromagnétique constitué de près de 80000 cristaux de tungstate de plomb. Il permet de mesurer l'énergie des photons, des électrons et des positrons.
Un calorimètre hadronique, placé autour du précédant, permet de mesurer l'énergie des hadrons (protons. pions, kaons, ...).
À l'extérieur de la bobine, la culasse magnétique qui canalise les lignes de retour de champ magnétique est instrumenté pour pourvoir détecter les muons.
La sélection en ligne des événements, est réalisée en utilisant les informations provenant des système calorimétriques et du systèmes de détection de muons. Ce système permet de réduire le nombre d'événements intéressants à 100000 par seconde.
Les informations du trajectomètre sont utilisées dans une phase ultérieure lors de la reconstruction détaillée des événements qui permet de ne garder que quelques centaines d'événements intéressants par seconde qui sont analysés en détails dans tous les laboratoires de la collaboration.
Bobine en position horizontale
Spécificités:
Le tout forme un détecteur de 15 mètres de diamètre et de 21,5 mètre de long pour une masse de 12500 T.
Diphoton mass spectrum weighted by the ratio S/(S+B), together with the background subtracted weighted mass spectrum.
Activités d’analyse de physique
L’une des missions principales du LHC est l'étude du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible. La recherche du ou des boson(s) de Higgs a constitué un objectif majeur des expériences LHC et, depuis la decouverte d'un boson de Higgs en 2012, la mesure précise de ses paramètres (masse, couplages) et la recherche d'éventuels bosons de Higgs supplémentaires sont devenus de nouveaux objectifs. Le LHC a également pour mission la mesure aussi précise que possible de nombreuses observables du modèle standard ou encore la recherche de particules nouvelles dans le cadre de ses possibles extensions.
Les activités d’analyse passées et présentes du groupe CMS de Saclay couvrent plusieurs domaines avec une prédominance pour la physique du boson de Higgs. Les mesures de précision dans le cadre du modèle standard et des recherches de nouvelles particules constituent les autres volets des activités d'analyse du groupe CMS de Saclay.
Le thème central concerne la physique du boson de Higgs avec est la recherche inclusive d’un boson de Higgs standard léger se désintégrant en deux photons. En dépit d’une probabilité de désintégration en deux photons très faible, ce mode s'est révélé particulièrement utile pour la découverte grace à la finesse du pic de signal au dessus de la distribution continue du bruit de fond irréductible provenant de l’association de deux photons réels et isolés produits dans des événements QCD. La finesse de ce pic découle de la résolution en énergie et en position des photons détectés, ainsi que de la connaissance de la position du point de collision. Le groupe CMS de Saclay exploite dans cette activité d’analyse son expertise dans l’optimisation des performances du calorimètre électromagnétique, ainsi que dans les procédures de calibration et de suivi en ligne de la transparence des cristaux de tungstate de plomb. Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012 à laquelle le groupe CMS de Saclay a donc fortement contribué, cette activité s'est élargie avec l'étude des couplages du boson de Higgs avec les bosons vecteurs du modèle standard pour différents modes de production, la recherche du mode de production dit ttH avec un boson de Higgs produit en association avec une paire de quark top dans le canal où le boson de Higgs se désintegre en deux photons, la recherche de la production de paires de boson de Higgs avec un boson de Higgs se désintégrant en deux quarks b et l'autre se désintégrant en deux photons et enfin la recherche de la production d'une paire de bosons de Higgs en association avec une paire de quark top avec les bosons de Higgs se désintégrant en quarks-b. Le groupe CMS de Saclay a également contribué à la recherche d’un boson de Higgs dans sa désintégration en une paire de leptons tau dans le cas où un des leptons tau se désintègre leptoniquement et l'autre de manière hadronique. Cette recherche a aussi été utilisée pour explorer l'espace des paramètres des extensions supersymétriques où la désintégration en paires de lepton tau est dominante.
Concernant la physique du modèle standard le groupe CMS de Saclay a contribué à l’étude des événements contenant plusieurs bosons de jauge et conduisant à des états finals avec plusieurs leptons isolés. Les études menées à Saclay ont porté principalement sur les événements à deux bosons Z0 avec quatre électrons ou deux électrons et deux muons dans l’état final. A plus haute luminosité, il sera possible d’exploiter ces événements pour étudier avec précision les couplages à trois bosons de jauge de la théorie électrofaible. Le groupe de Saclay contribue également très fortement à la mesure des sections efficaces de production des bosons W et Z0 en association avec des jets. Enfin le groupe CMS de Saclay s'est récemment impliqué dans la mesure de la masse du boson W.
Finalement le groupe de Saclay s'implique dans la recherche de particules nouvelles en particulier à travers trois types d'analyse de données. Premièrement la recherche de neutrino lourd dans le cadre de l'extension nuMSM du modèle standard. Deuxièmement la recherche de particules supersymétriques comme les partenaires supersymétriques du quark top d'une part et les charginos/neutralinos (electroweakinos) partenaires supersymétriques des photon, boson W, boson Z0 et bosons de Higgs d'autre part et ceci dans des canaux de désintégration menant à des états finals multileptoniques. Troisièmement la recherche d'une particule scalaire neutre pouvant être la conséquence de l'éventuelle existence de dimensions supplémentaires et ceci dans les canaux mono-photon, mono-jet et mono-W/Z. Cette particule scalaire peut également être un candidat à la matière noire
Combined observed and predicted m?? distributions for the ??h, e?h, ?h?h, and e? channels. The inset shows the corresponding difference between the observed data and expected background distributions, together with the signal distribution for a SM Higgs boson at mH = 125 GeV.
Production intellectuelle
Publications:
http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/
Thèses:
• Higgs boson production in the diphoton decay channel with CMS at the LHC: first measurement of the inclusive cross section in 13 TeV pp collisions,and study of the Higgs coupling to electroweak vectors. Thèse soutenue le 26/09/2016 par Martina Machet.
• Contraintes expérimentales sur des modèles à champ scalaire léger en cosmologie et physique des particules (expériences SNLS et CMS). Thèse soutenue le 07/07/2014 par Jérémy Neveu.
• Search for Neutral Higgs Bosons decaying to Tau Pairs at the CMS experiment. Thèse soutenue le 25/09/2012 par Somnath Choudhury.
• Mesure de la section efficace de production de paires de photons isolés avec le détecteur CMS. Thèse soutenue le 30/09/2011 par Laurent Millischer.
• Etude des états finals à deux bosons Z dans le canal leptons-neutrinos dans l'expérience CMS auprès du LHC au CERN. Thèse soutenue le 27/09/2011 par Matthieu Marionneau.
• Etude et optimisation des performances du calorimètre électromagnétique de l'expérience CMS pour la physique au LHC. Thèse soutenue le 16 juillet 2007 par Julien Descamps.
• Participation à l'étude de la calibration du calorimètre électromagnétique de l'expérience CMS et à l'étude de photodiodes à avalanche. Thèse soutenue le 13 décembre 1999 par Véronique Da Ponte Puill.
Le HL-LHC
Pendant son arrêt (LS3) prévu à l'horizon de 2023-2025, le LHC sera amélioré de manière à pouvoir fonctionner dans sa phase dite haute luminosité (HL-LHC). Le HL-LHC devrait ainsi fonctionner à une luminosité instantanée de 5 10**34 cm-2s-1 et pouvoir fournir une luminosité intégrée de l'ordre de 250/fb par an pendant une dizaine d’années soit environ 3000/fb de luminosité intégrée. Dans ces conditions, l'empilement (Pile Up ou PU) devrait augmenter jusqu'à une valeur moyenne de l'ordre de 200 interactions par croisement de faisceau et ainsi représenter un défi majeur pour les expériences en particulier CMS. De même la dégradation des performances due à la dose de radiation intégrée (300 kGy de dose absorbée ou 3 Gy/h) devra être soigneusement évaluée.
Pour faire face à ces défis l’expérience CMS va s'engager dans une seconde phase d’améliorations (upgrades phase 2). Ces upgrades vont concerner plusieurs composants majeurs de CMS en particulier le trajectomètre, la calorimétrie, le système à muons et le système de déclenchement de manière à pouvoir faire face au PU sans augmenter les seuils de façon non raisonnable du point de vue de la physique avec la perspective d’inclure le trajectomètre dès le premier niveau de déclenchement.
Les calorimètres de CMS
La calorimétrie constitue un élément critique de CMS pour la physique auprès du HL-LHC. Elle permet l'identification et la reconstruction des photons et des électrons ainsi que la mesure des jets et de l’énergie transverse manquante. La technique du flot de particules (PF) permet de bien mesurer les jets et l’énergie transverse manquante en combinant les informations du trajectomètre et de la calorimétrie. Dans des conditions d'empilement élevé la technique du flot de particules requiert une très bonne segmentation longitudinale et transverse pour optimiser l'association des traces et des dépôts d’énergie dans les calorimètres. Une bonne reconstruction de ces objets (photon, électron, jet et énergie transverse manquante) est primordiale pour pouvoir poursuivre les mesures de précision des propriétés du boson de Higgs et pour la recherche de phénomènes nouveaux au-delà du Modèle standard.
Le calorimètre électromagnétique (ECAL) de CMS est un calorimètre homogène constitué de 75848 cristaux scintillants de tungstate de plomb situé à l’intérieur de l'aimant supraconducteur de CMS. Il est composé d'une partie centrale (barrel ECAL 60000 cristaux) couvrant la région en pseudo-rapidité et de deux parties bouchons (End Cap ECAL i.e. EC ECAL, 15000 cristaux) qui étend la couverture en pseudo-rapidité jusqu’à eta<3 .
Ces calorimètres ont été conçus pour permettre une bonne mesure et une bonne reconstruction des objets mentionnés plus haut et mener le programme de physique attenant jusqu’à une luminosité intégrée de l'ordre de 300-500/fb sur une dizaine d’années jusqu’à l’arrêt LS3. Cependant, les conditions de fonctionnement de la phase HL-LHC i.e. de l'ordre de 3000/fb de luminosité intégrée, impose de réexaminer les capacités du matériau actif des détecteurs et de l’électronique pour maintenir de manière optimale les performances de reconstruction et mener le programme de physique à terme.
L'impact dû à l'irradiation dans le barrel ECAL après 3000/fb est de l'ordre de l'irradiation des parties bouchons après 30/fb. L'irradiation ne devrait donc pas être un problème pour les cristaux du barrel ECAL et il n'est donc pas nécessaire de les remplacer. Cependant le barrel ECAL devra relever le défi du taux d'empilement, de l'augmentation du bruit des photodétecteurs ainsi que des efficacités de déclenchement qui vont imposer une amélioration de son électronique. Il sera nécessaire d’avoir une meilleure granularité (single cristal) au niveau 1 du système de déclenchement. Les taux imposeront également d’augmenter la bande passante limitée actuellement par le multiplexage de l’information sur le détecteur. Il est aussi obligatoire de pouvoir étiqueter les spikes (cf. définition plus loin) pour ne pas saturer le système de déclenchement (trigger) de premier niveau.
La partie bouchon (End-Cap) du calorimètre de CMS doit être complètement modifiée pour supporter une irradiation importante (300 kGy) et atténuer les effets du PU. En mai 2015 CMS a opté pour un calorimètre dense silicium/tungstène+cuivre à très haute granularité (5D i.e. position, énergie temps) dit HGCAL résistant aux radiations. Le HGCAL est un calorimètre inspiré du calorimètre CALICE développé pour l'ILC et adapté au très grand taux d’événements du HL-LHC. Le HGCAL permettra d'exploiter la topologie des dépôts et les capacités trajectographiques de suivi des gerbes électromagnétiques dans une reconstruction de flux de particules (particle flow PF) à la fois pour le système de déclenchement et l'analyse hors-ligne.
Les contributions du groupe CMS de Saclay aux upgrades phase 2
Concernant les améliorations du détecteur CMS pour cette phase haute luminosité du LHC, le groupe CMS de Saclay s'est impliqué dans les études, le développement et la fabrication de l’électronique frontale de la partie tonneau du calorimètre électromagnétique. De plus les calorimètres bouchons de CMS vont être entièrement remplacés par un calorimètre dense silicium/tungstène à très haute granularité dit HGCAL résistant aux radiations. Le groupe CMS de Saclay s'est également impliqué dans ce projet en prenant la responsabilité des études et du développement du système électronique de distribution précise de l'horloge du LHC, incluant la partie TDC de l’électronique frontale du HGCAL, ceci afin de garantir la synchronisation des voies électroniques du HGCAL et la détermination précise du temps de vol des particules. Le développement du système de distribution d'horloge peut dépasser le cadre de HGCAL et se généraliser à d'autres détecteurs de CMS. Le groupe CMS de Saclay s'est aussi impliqué dans l’étude des algorithmes des primitives de déclenchement pour les jets dans HGCAL et de leur implémentation dans des firmwares (FPGA).
Le TDR pour l'amélioration des calorimètres a été rédigé en 2017 et soumis au LHCC en 2017 pour la partie tonneau et 2018 pour la partie bouchon.
Plus de 2800 physiciens et ingénieurs de 200 instituts provenant de 46 pays (janvier 2017).
Détail des collaborations de CMS
Faces of CMS: Photomosaic (September 2013)
Historique et principaux jalons
- Mars 1992:
- Organisation à Evian par EFCA d'une réunion intitulée "vers le programme expérimentail du LHC": 4 collaborations ont été mises en compétition. A ce moment-là le Cern ne prévoyait que deux gros détecteurs au LHC.
- Création du LHCC par le Cern d'un comité scientifique pour les expériences du LHC
- Fusion de Ascot et Eagle en une seule collaboration Atlas.
- Octobre 1992: trois lettres d'intention soumises au LHCC
- Juin 1993, deux expériences, CMS et Atlas, sont homologuées par le LHCC pour une proposition technique
- 1994: début de collaborations internationales avec l'arrivée de 270 physiciens américains dans l'expérience CMS et l'adhésion de 1250 scientifiques, 132 institutions, 28 pays. Les bases du principal projet sont posées :
- Tableau des collaborations:
- Tableau des responsabilités:
- Tableau technique
- Tableau financier
- Janvier 1996: La Direction Générale du Cern agréée les projets de CMS et Atlas avec un budget limité à 475 MCHF (prix de 1995). Approbation de CMS et élaboration du MoU.
Chronologie du TDR
- 2000: Trigger, niveau 1, 600 pages
- 2000: Addendum au Tracker
- 1997: Aimant, le calorimètre, le spectromètre à muons, le calorimètre électromagnétique,
- 1998: Le Tracker, 550 pages
- 2002: Acquisition de données et 2e niveau de trigger
- 2005: Informatique
- 2006: La physique (volume 1), performances du détecteur et outils logiciels
- 2006: La physique (volume 2), performances en physique
Chronologie du MoUs
- 1996 Interim
- 1998 Construction (distribution des responsabilités et organisation)
- 2002 Maintenance et opérations
- 2005 avenant concernant l'informatique
Faits marquants
-
Fait marquant : La bobine supraconductrice du détecteur CMS est complète (avril 2005)
-
Fait marquant : L’enfourneur de cristaux (mai 2006)
-
Fait marquant : Record mondial pour l’aimant supraconducteur de l’expérience CMS (septembre 2006)
-
Fait marquant : Succès « cosmique » pour CMS (décembre 2008)
-
Fait marquant : Derniers résultats sur la recherche du boson de Higgs (Décembre 2011)
-
Fait marquant : Boson de Higgs: 125 GeV sinon rien (avril 2012)
-
Fait marquant : Découverte d'une nouvelle particule au LHC! (juillet 2012)
-
Fait marquant : Union autour du boson de Higgs (mars 2015)
-
Fait marquant : Les analyses du LHC se poursuivent à 8 TeV et démarrent juste à 13 TeV (Août 2015)
-
Fait marquant : Les propriétés du boson de Higgs mesurées par les expériences Atlas et CMS combinées pour la première fois (septembre 2015)
-
Fait marquant : Atlas et CMS à la recherche de nouvelles particules (juin 2016)
Equipe de CMS à l'intérieur de la bobine
Principales données chiffrées concernant CMS
Ensemble du détecteur :
15 mètres de diamètre et de 21,5 mètre de long pour une masse de 12500 T.
Solénoïde :
|
Champ magnétique (T) |
4 |
|
Longueur (m) |
12.5 |
|
Ouverture utile (m) |
6.3 |
|
Ampère-tours (MAt) |
41.7 |
|
Energie stockée (GJ) |
2.6 |
|
Force axiale (MN) |
147 |
|
Pression radiale maximale (MPa) |
6.4 |
|
Courant nominal (kA) |
19.14 |
|
Couches |
4 |
|
Dimensions du conducteur (mm2) |
64*22 |
|
Type de conducteur |
NbTi Renforcé |
vue de loin de la totalité de l'aimant
Vue d'ensemble du solénoïde
L'Irfu, qui a été a l’origine de la conception de ce solénoïde supraconducteur, le plus grand jamais réalisé, a aussi eu en charge l’étude et la responsabilité du suivi des processus de son montage, allant jusqu’à créer dans ce but des outillages uniques. Les opérations de montage extrêmement complexes se sont déroulées sans problème majeur. Ce succès doit aussi aux équipes de montage au Cern et aux industriels qui ont fourni différents éléments et qui ont participé a leur assemblage final.
Collaborations:
Principaux participants au solénoïde:
Pays :
Laboratoires:
- Cern : coordination générale pour la collaboration CMS, cryogénie externe, circuit de puissance électrique, instrumentation.
- CEA-Irfu (Saclay) : Études générale de la masse froide, coordination de son montage, étude de détail de certains composants et suivi industriel de leur réalisation, essais de composants critiques.
- ETH Zurich : conducteurs.
- INFN Gênes : bobinage.
- Université du Wisconsin
Collaboration française à l'aimant de CMS:
Collaboration internationale au projet CMS
Empilement des 5 modules en février 2005
Approche scientifique
Spécificités:
Contribution du Irfu
- Etude de détail de certains composants et suivi industriel de leur réalisation (tirants de suspension, écrans thermiques, cryogénie de proximité, amenées de courant)
- Essais de composants critiques (prototypes de jonctions électriques, amenées de courant, tirants de suspension, cryogénie de proximité)
- Coordination du montage de la masse froide
- Participation aux essais dans le hall de surface
Déroulement et perspectives
- 12/1998: Engineering Design Report de la bobine
- Début 2005: arrivée du 5e et dernier module au CERN
- Eté 2005: Introduction de la masse froide dans le circuit magnétique
Perspectives:
- Courant 2007: Descente et installation en caverne de tous les éléments de la culasse, ainsi que des autres éléments du détecteur
- Fin 2007: mise en froid en caverne, tests à faible courant
-1er trimestre 2008: remontée au champ nominal en caverne
Bilan scientifique et technique Toutes les tâches à la charge de l'Irfu se sont bien déroulées techniquement et en accord avec le planning général de l'aimant.
Faits marquants
Contact
L’équipe de Saclay avant le démarrage de la mise en froid en février 2006
Vue artistique du solénoïde
L'expérience CMS est installée auprès du collisionneur de protons LHC au Cern et a debuté sa prise de données en 2009.
Le calorimètre électromagnétique a été conçu pour permettre initialement à basse luminosité la découverte potentielle du Higgs se désintégrant en deux photons.
Le CMS comporte un calorimètre très compact muni d'une très bonne résolution en énergie.
Les contributions de l'Irfu
Responsabilités scientifiques et techniques de l'Irfu
- Conception, fabrication et mise en service du système d'étalonnage, par injection de lumière laser, du calorimètre électromagnétique à cristaux de tungstate de plomb.
- R&D sur les photodétecteurs APD (photodiodes à avalanche)
- R&D sur les cristaux (Crystal-Clear collaboration) (plus de détails à voir avec jean-Louis Faure)
- Étude, développement, installation, test et exploitation des données du système de monitorage de transparence des cristaux.
- Étude, développement, installation, test et exploitation des données du processeur de lecture sélective
- Étude, fabrication et mise en oeuvre du système d'enfournements des supermodules du calorimètre électromagnétique dans l'expérience CMS.
Moyens expérimentaux
Le calorimètre électromagnétique est constitué de plus de 75000 cristaux de tungstate de plomb. Le tonneau central est composé de 18 supermodules disposés selon phi dans chaque demi plan. Chaque supermodule contient 4 modules de 400 cristaux chacun. Les deux bouchons contiennent 14648 cristaux.
Chaque cristal du tonneau central est lu par 2 APDs (Avalanche Photo Diodes).
Chaque cristal des bouchons est lu par un VPT (Vacuum Photo Triodes).
Description technique
Système d'injection de lumière laser pour suivre la transparence des cristaux.
Système de distribution par fibres optiques.
PN diodes calibre la lumière laser reçue par groupe de 200 cristaux.
Spécificités
LHC à haute luminosité.
À haute luminosité, la réponse des cristaux est suppose baisser de 3 à 5% dans les premières heures puis saturer. En l'absence d'irradiation, les cristaux récupèrent.
La perte de transparence est corrigée à court terme (20 à 30 minutes) avec une précision de 0.4%.
Collaborations
Les principaux laboratoires qui partagent la conception et la réalisation du tonneau central du calorimètre électromagnétique sont: Caltech, Cern (Genève),CEA/DRF/Irfu, INFN Milan, INFN Rome, IPNL Lyon, LLR Palaiseau, Zurich-ETH
Etat et perspectives
Dates importantes
- 1998 : approbation du Technical Design Report du calorimètre électromagnétique par le LHCC du Cern.
- 1999 : fabrication et caractérisation des éléments de présérie du système d'étalonnage du calorimètre électromagnétique à cristaux.
- 1999 - 2002 : fabrication et caractérisation des éléments de série du système d'étalonnage.
- 2002 - 2005 : pré étalonnage du calorimètre à cristaux en faisceau au Cern.
- Fin 2003: La technologie 25 microns a été choisie par Ecal comme ligne de base de l'électronique frontale.
- 10 supermodules assemblés.
- Octobre 2004: Réalisation, calibrationet tests du supermodule 0
- Mi-septembre 2005: moitié des barrels réalisés
- Décembre 2007: barrel en caverne
- Juin 2008: Fin d'assemblage des bouchons
- 10 septembre 2008: Circulation du premier faisceau dans le LHC
Bilan scientifique et technique
Évaluation scientifique : Conseil Scientifique du SPP les 24-26/09/2001, 28/04/2002, 03/07/2003, 04/11/2011, 13/11/2013, 30/11/2015.
Faits marquants
2002 : pré étalonnage d'un module du calorimètre (400 cristaux); validation en faisceau du système de monitorage du calorimètre.
2003: début du montage du système de distribution de lumière sur les modules de série; réalisation d'un prototype du système de lecture du calorimètre.
Contact
Objectif
L’objectif majeur du projet CMS Electronique est le développement d’un dispositif électronique nommé le processeur de lecture sélective pour le calorimètre électromagnétique de l’expérience CMS au Cern (SRP – Selective Read-out Processor). Le SRP fait partie de l’électronique de lecture du calorimètre dit « Hors – Détecteur » dû à son implantation dans la caverne de service souterraine hors de la caverne d’expérimentation. Pour chaque événement accepté par le premier niveau du système de déclenchement de l’expérience, le SRP doit permettre d'alléger en temps réel la quantité des données brutes du calorimètre avant leur envoi vers le système d’acquisition. En dépit d’un facteur de réduction considérable (de 15 à 20) à obtenir, la performance physique du calorimètre ne doit pas être compromise.
Thèmes et programmes:
Innovation pour les systèmes de détection / Traitement du signal et systèmes « temps réel »
Collaboration
La conception et réalisation de l’électronique Hors - Détecteur sont partagées entre les laboratoires suivants :
Cern : cartes de configuration de l’électronique frontale et de distribution d’horloge et de divers signaux de contrôle ;
Irfu : cartes du processeur de lecture sélective SRP
LLR Palaiseau : cartes de génération des primitifs de trigger
LIP Lisbonne : cartes des mémoires tampon
- Étude des technologies d’optique parallèle et de liens sériels à très haute vitesse de composants électroniques de type FPGA. Ces technologies sont proposées pour des liens de communication du SRP avec d’autres sous systèmes de l’électronique de lecture Hors – Détecteur
- Étude d’utilisation des processeurs embarqués dans les FPGAs des nouvelles générations
- Étude des algorithmes de lecture sélective et de leur performance
Instruments
Les kits de développement industriels et les logiciels associés pour les composantes d’optique parallèle et des FPGAs des nouvelles générations. L’analyseur de liens sériels à très haute performance.
Spécificités
- Nombre considérable de liens d’entrée/sortie du SRP – environ 200 ;
- Débit élevé des liens - 1.6 Gbit/s (voir 2.5 Gbit/s) par lien ;
- Fonctionnement asynchrone à la fréquence du trigger de niveaux 1 - jusqu’à 100 kHz ;
- Budget temporel limité - 5 µs ;
- Flexibilité en choix d’algorithmes de sélection réalisés à l’aide de la logique câblée programmable de type FPGA.
Le SRP est constitué de 12 cartes identiques conformes à la norme VME64x. Chaque carte peut être utilisée pour les régions dites « tonnaux » et « bouchons » du calorimètre électromagnétique. Elle peut servir également comme l’instrument de test pour les autres cartes SRP.
La carte SRP
Contribution de l'Irfu
Responsabilités scientifiques et techniques
- Coordination de la collaboration « Électronique Hors – Détecteur » au Cern ;
- Définition des algorithmes de lecture sélective ;
- Définition de l’architecture globale du dispositif de lecture sélective ;
- Définition des liens de communication du SRP avec d’autres sous systèmes de l’électronique de lecture Hors – Détecteur ;
- Conception et réalisation du SRP.
Etude des algorithmes de lecture sélective
Conception et réalisation du dispositif de lecture sélective
Etats et perspectives
Dates importantes
Avril 2002 : Association de l'Irfu (à l'époque le DAPNIA) à la collaboration « Electronique Hors – Détecteur »
Juin 2003 : Lancement du projet CMS Electronique à l'Irfu
Septembre 2003 : Participation à l’« Addendum to CMS ECAL Technical Design Report »
Décembre 2003 : Validation de la technologie d’optique parallèle pour les liens de communications du SRP
Mai 2004 : Revue par la collaboration CMS de l’électronique Hors – Détecteur (« Electronics System Review ») : approbation de l’architecture du SRP
Juin 2004 : Démonstration du fonctionnement du SRP sous la contrainte temporelle de 5µs
Novembre 2006 : « SRP Electronics system review » au CERN : démonstration au comité d’évaluation du fonctionnement du SRP sur deux cartes prototypes; accord pour la production en série des cartes finales
Janvier 2007 : Lancement de la production en série
Mars 2007 : Tests au CERN dans un sous-ensemble de l’électronique Hors-Détecteur
Juin 2007 : Fin de production des cartes finales SRP
Août 2007: Fin de production en série des cartes SRP
Septembre 2007: Installation des cartes SRP "Barrel" au Cern
Février 2008: Installation des cartes SRP "Endcap" au Cern
Faits marquants
Juin 2004 : Validation de la technologie d’optique parallèle pour les liens de communications du SRP et validation du fonctionnement du SRP sous la contrainte temporelle de 5µs
Décembre 2006: Fin de la phase de prototypage
Juin 2007 : Fin de production des cartes finales SRP
Contact
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des particules auprès des collisionneurs
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique des Particules (DPhP) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d'étude mécanique et d'intégration des détecteurs (LEMID) • Laboratoire d'ingénierie logicielle pour les applications scientifiques (LILAS) • CMS
