Département de Physique des Particules

Le détecteur Atlas en cours d'installation auprès de l'anneau de collision proton-proton LHC du Cern sera muni d'un aimant supraconducteur toroïdal de 25 mètres de longueur et de 20 mètres de diamètre destiné à la mesure de l'énergie des muons produits dans les interactions. C'est en fait la courbure de leur trajectoire dans le champ magnétique qui est mesurée grâce à trois couches de chambre à fils de haute précision, soit environ 50 micromètres. Le spectromètre est constitué de plus de 1000 chambres formées d'un assemblage de six couches de tubes à dérive - soit 400 000 tubes au total -, d'une surface d'environ 10 000 m2 ; il est remarquable par sa capacité à mesurer avec une précision inférieure à 10 %, et ceci dans presque toutes les directions spatiales, l'énergie de muons pouvant aller jusqu'à plus de 1 TeV. De telles énergies sont en effet attendues pour les produits de désintégration de résonances de grande masse prédites par la plupart des modèles théoriques allant au-delà du fameux modèle standard de la physique des particules.

Pour obtenir ces performances des chambres à fils, il faut connaître leur position relative et leurs déformations éventuelles avec une précision au moins comparable. C'est la fonction du système d'alignement optique des chambres que Saclay a pris en charge pour les 660 chambres de la partie centrale - le barrel - du spectromètre. Pendant l'été 2003, six de ces chambres et six de la partie avant - l'end-cap -, réparties sur trois couches (voir vue générale ci-jointe) ont été testées au Cern dans un faisceau de muons d'énergie allant de quelques GeV à 200 GeV. Dans ce banc de test, le contrôle du positionnement de ces chambres était assuré par un système d'alignement optique composé de 66 lignes infrarouges pour la partie barrel (il y en aura près de 5000 dans Atlas !). Ce système d'alignement a pu être intégré et exploité afin de démontrer qu'il est possible de maîtriser la mesure de la courbure des trajectoires des muons à la précision requise par Atlas, c'est-à-dire à ± 30 micromètres sur la flèche des trajectoires des particules. Le test repose sur la comparaison statistique des trajectoires reconstruites à l'aide des chambres à fils, aux corrections d'alignement relevées lors des déplacements voulus effectués sur certaines chambres (translations de plusieurs millimètres et rotations de quelques milliradians).

L'analyse des données du test a été réalisée par le groupe de Saclay ; elle concerne l'alignement de la partie barrel et la reconstruction des trajectoires avec les chambres à fils. Les premiers résultats montrent que la distribution des mesures de la flèche apparente des trajectoires est bien maîtrisée jusqu'à une précision de 20 micromètres (voir graphiques ci-joints). Ce succès s'appuie sur la capacité à fournir et à intégrer sur les chambres les premiers capteurs étalonnés des différents systèmes d'alignement qui contrôlent les positions des chambres appartenant à une même couche, les différentes couches entre elles et qui relient enfin les chambres appartenant à différents secteurs du spectromètre au reste du détecteur. Un banc d'étalonnage à six axes développé à l'IRFU, a permis d'atteindre une précision de mesure des déplacements inférieure à 10 micromètres pour chaque paire des capteurs qui seront positionnés sur deux chambres adjacentes (voir photos ci-jointes).

L'IRFU (SPP et SIS), en collaboration avec le Nikhef (Institut national de physique nucléaire et des hautes énergies des Pays-Bas), assume la responsabilité d'intégrer tous les systèmes d'alignement de la partie barrel du spectromètre Atlas et la fourniture d'une grande partie de ces capteurs. Le groupe de Saclay est chargé de l'étalonnage de 2500 capteurs de position, de la mesure sur machine tridimensionnelle de 350 supports des capteurs projectifs, de l'étalonnage de 650 capteurs des systèmes, et des 250 caméras qui seront installées sur 32 plaques de référence disposées sur les huit bobines de l'aimant toroïdal. Il faut ajouter à cela la contribution à la détermination du champ magnétique produit par l'aimant dans tout le volume du spectromètre, et la fourniture des supports mécaniques et du banc d'étalonnage absolu des 1700 sondes de champ magnétique tridimensionnelles installées elles aussi sur les chambres à muons.

Au point de vue des logiciels, le groupe de Saclay a développé les programmes de reconstruction de la géométrie précise de la partie barrel du spectromètre à muons, fondée sur les données que fourniront tous ces capteurs d'alignement.

Contacts IRFU :

Claude GUYOT

Patrick PONSOT

Philippe SCHUNE