Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.

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.