26 avril 2013
Un détecteur de traces High-Tech pour le futur collisionneur linéaire
Un détecteur de traces High-Tech pour le futur collisionneur linéaire

Gerbe cosmique dans le détecteur TPC-7modules

L’Irfu poursuit ses efforts dans le développement de détecteurs gazeux utilisant la technologie Micromégas. Ce type de détecteur pourrait équiper le futur collisionneur linéaire : ILC (International Linear Collider) à l'horizon 2030. L’ILC, proposé pour succéder au Large Hadron Collider (LHC), serait conçu pour produire des collisions électron-positron de 500 GeV. Pendant que les tractations pour la possible réalisation d’un tel accélérateur s’intensifient au niveau mondial, un pas important a été franchi à DESY (Allemagne) avec la mise en place réussie d’un prototype de détecteur de traces à haute résolution spatiale avec une électronique compacte.

 
Un détecteur de traces High-Tech pour le futur collisionneur linéaire

Vue des 7 modules intégrés.

principe de fonctionnement du détecteur

 

Le détecteur, testé à DESY près de Hambourg, est une TPC (acronyme pour chambre à projection temporelle) d’un nouveau type. Une TPC est une sorte de caméra en trois dimensions, qui donne une image des traces chargées qui la traversent. Un tel détecteur est constitué d’un volume de gaz placé autour du point d’interaction d’un accélérateur de particules, dans lequel règne un champ électrique très uniforme.

Une particule de haute énergie issue des collisions arrache des électrons au gaz de la TPC. Sous l’action du champ électrique, ces électrons dérivent ensuite jusqu’aux extrémités de la chambre, où sont placés des détecteurs reliés à une électronique de lecture. L’endroit où les électrons arrivent sur les extrémités renseigne sur la position de la trace laissée par la particule de haute énergie. L’électronique amplifie le signal, mais mesure aussi le temps que les électrons ont mis pour dériver jusqu’à l’extrémité. Ce temps donne la 3ème coordonnée des points de la trace.

Un champ magnétique puissant (3,5 Tesla), parallèle au champ électrique, permet de limiter la diffusion des électrons tout au long de leur dérive sur une distance qui peut dépasser 2 mètres.

 

 
Un détecteur de traces High-Tech pour le futur collisionneur linéaire

La TPC 7 modules dans son aimant, à l’installation EUDET/AIDA à DESY, Hambourg.

Les performances du détecteur

 

Dans la TPC qui vient d’être testée, les détecteurs à l’extrémité des chambres sont des Micromégas d’un nouveau type, à anode résistive. Au LEP (collisionneur circulaire électron-positron du CERN qui a fonctionné entre 1989 et 2000), les expériences ALEPH et DELPHI étaient équipées de TPC, mais lues par des chambres à fils classiques. Leur résolution était limitée par les inhomogénéités du champ électrique à l’approche des fils. La technique Micromégas évite ces inhomogénéités, et le revêtement résistif permet d’améliorer la précision de mesure. On a pu démontrer lors des tests à DESY qu’on pouvait atteindre une résolution de 60 microns par point de mesure, alors que les TPC standard ne pouvaient faire mieux que 200 microns.

 

Un autre défi relevé par ce nouveau détecteur a été de réaliser un prototype de modules Micromegas avec un total de 13000 canaux de lecture ! Ceci a été rendu possible par une miniaturisation de l’électronique. Les puces ‘AFTER’, mises au point par les ingénieurs du SEDI pour l’expérience T2K au Japon, ont été directement connectées par des centaines de fils de 10 microns à un circuit intégré. Les modules ainsi constitués permettent de lire 1700 voies chacun, avec seulement 3 câbles à brancher, là où il fallait 24 câbles plats, coûteux et encombrants. Ce développement a été rendu possible par une collaboration très efficace entre le SPP et le SEDI. 

 

Le très bon fonctionnement de l’ensemble du protoptype a démontré la faisabilité d’une TPC en vraie grandeur, très facile à monter, démonter et réparer en cas de besoin. Les millions de traces enregistrées lors de tests à DESY permettront d’étudier en détails les distorsions dues à des inhomogénéités du champ au bord des modules, et probablement à les réduire. Le suivi d’une procédure quasi-industrielle pour la fabrication des détecteurs et leur caractérisation un par un sur un banc-test (dérivé de celui de T2K) à l’antenne du CERN sont les gages pour la faisabilité d’un détecteur réel.

 

Contacts : responsable scientifique : Paul Colas, Chef de projet : David Attié.


 

 

Maj : 21/05/2013 (3298)

 

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