CMS

Vue d'ensemble du solénoïde

CMS est l’un des détecteurs des 2 expériences généralistes et des 4 expériences (en plus d'Alice, Atlas et LHCb) installées auprès du LHC, le collisionneur à protons du Cern, à Genève. CMS est installé au point d'interaction No 5 à Cessy.
 

Objectifs:

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).

 

 

 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)

 

les triplets de cartes VME du processeur de lecture sélective développé pour l'acquisition des données du calorimètre électromagnétique de CMS

* 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.

 

Maj : 08/02/2017 (1424)

Voir aussi
Field Programmable Gate Arrays
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