CMS, une expérience de physique des particules auprès du LHC au CERN, est constituée de plusieurs détecteurs imbriqués les uns dans les autres, dont le calorimètre électromagnétique. La construction et l’installation de ce calorimètre, constitué de plusieurs éléments regroupant chacun des centaines de cristaux et pesant plusieurs tonnes, nécessite des outils géants d’une précision millimétrique. L’Irfu a été chargé de la conception et de la réalisation du premier de ces appareillages, appelés enfourneurs, qui a permis une mise en place couronnée de succès du calorimètre électromagnétique de CMS, le 27 avril 2006.
Un peu plus de 20 ans après, cet enfourneur est appelé à reprendre du service à l’occasion de la jouvence du calorimètre électromagnétique de CMS pour la phase haute luminosité du LHC (HL-LHC). Pour s’assurer de la pérennité de son bon fonctionnement, une campagne de tests a été effectuée sur le site de CMS, au point 5 du LHC, de septembre 2025 à mars 2026. Les ingénieurs et techniciens de l’Irfu ont fortement participé à cette campagne de tests et à sa réussite.
Introduction
Pour rappel, le calorimètre électromagnétique de CMS, ECAL, est destiné à la mesure de l’énergie des photons et des électrons issus des collisions délivrées par le grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. L’ECAL est constitué d’environ 75 000 barreaux taillés dans des cristaux de tungstate de plomb, un matériau plus transparent que le verre, plus lourd que le fer, mais d’une extrême fragilité.
Ces barreaux sont assemblés pour former un tonneau de 4 mètres de diamètre et de 6 mètres de long. Pour faciliter la construction d’un tel ensemble, les ingénieurs et physiciens de CMS ont choisi de le segmenter en 36 « supermodules », contenant chacun 4 modules qui sont eux-mêmes constitués d’entre 400 et 500 barreaux et insérés des deux côtés du détecteur
Manipuler les 18 boîtes remplies de cristaux, longues de 3 mètres, pesant 3 tonnes en les disposant sur 360° au millimètre près, est loin d’être une chose aisée. De telles opérations exigent des instruments colossaux qui doivent être à la fois agiles et précis.
Pour cela, entre 2003 et 2006, les mécaniciens du Département d’Ingénierie des Systèmes (DIS) de l’Irfu ont conçu et réalisé le premier enfourneur (E1) comme le montre la fig. 1. Il s’agit d’un ensemble composé d’une grande cage cylindrique posée sur un berceau, d’une poutre de transport, de bâtis, de systèmes de réglage, de systèmes hydrauliques, le tout utilisé dans une série d’opérations nécessitant une extrême méticulosité (positionnement, levage, rotation, translation, alignement, glissement). La contribution de l’Irfu a également porté sur la participation aux opérations d’insertion des supermodules du CMS ECAL, voir le fait marquant du 23 mai 2006.
La jouvence de l’ECAL pour HL-LHC passe par la refonte de son électronique pour faire face au défi de l’augmentation significative de l’empilement des collisions de protons du LHC dû à la très haute luminosité, l’augmentation du bruit dans les photodétecteurs et pour optimiser l’efficacité de déclenchement. La jouvence de l’ECAL passe aussi par la refonte de l’électronique de son système de monitoring de la transparence des cristaux par laser constituant une autre responsabilité de l’Irfu.
La jouvence de l’ECAL permettra d’optimiser l’identification et la reconstruction des électrons et des photons au HL-LHC ainsi que la mesure des jets, des gerbes de particules directionnelles, et de l’énergie transverse manquante, la signature laissée par les particules qui traversent le détecteur sans interagir révélées par un déséquilibre de l’énergie mesurée dans le plan perpendiculaire aux faisceaux de protons comme les neutrinos ou de nouvelles particules. Cette optimisation est nécessaire pour réaliser les mesures de précision des propriétés du boson de Higgs et effectuer des recherches d’une possible physique au-delà du modèle standard qui figurent parmi les priorités du programme de physique auprès du HL-LHC.
Afin d’assurer la jouvence de l’ECAL dans les délais prévus par l’arrêt prolongé du LHC (LS3) avant une reprise pour sa phase haute luminosité, la collaboration CMS a décidé de construire un second enfourneur, sous la responsabilité de l’INFN. En effet, dans la planification de LS3, la principale contrainte est le délai très court pour le démontage des 36 supermodules et leur réinstallation après rénovation. Ainsi, l’extraction et la réinstallation sont accélérées par l’utilisation d’un second enfourneur complet avec ses accessoires.
Fort de son expérience avec l’E1 et suite à la sollicitation du management du ECAL, l’Irfu, a fourni l’expertise technique pour les deux enfourneurs.
Afin de pouvoir réutiliser l’E1 pendant le LS3, la remise en état et une campagne de tests de l’E1 ont été effectués sur le site de CMS, nommé point 5 du LHC, de septembre 2025 à mars 2026. Les ingénieurs et techniciens de l’Irfu ont fortement participé à cette campagne de tests avec une implication notable de l’antenne de l’Irfu au CERN, personnel du DEDIP basé au CERN.
Campagne de tests de l’enfourneur 1
La campagne de tests de l’E1 a été réalisée en plusieurs étapes à l’aide d’un supermodule mannequin, structure en acier de poids et dimensions identiques aux supermodules réels, inséré dans des structures munies de rails simulant les conditions réelles d’insertion dans CMS.
- Étape 1 : deux structures de support des rails ont été préparées correspondant à deux positions angulaires de 90° et 170° d’insertion du supermodule.
- Étape 2 : les tests à la position 170° ont été effectués avec succès en novembre 2025 (fig. 2).
- Étape 3 : les travaux de modification de la structure Gazprom qui remplace la structure historique (en jaune sur la figure 1), permettant de supporter l’enfourneur à une hauteur bien définie, ont été menés en parallèle. L’installation de l’E1 sur la structure Gazprom a été réalisée avec succès le 20 novembre 2025 (fig. 3).
- Étape 4 : en raison de la taille importante de l’ensemble enfourneur, il est nécessaire de le démonter en plusieurs sous-ensembles afin de pouvoir les descendre dans la caverne durant LS3. Les exercices de démontage et de remontage de l’E1 (fig. 4) ont été effectués en surface en décembre 2025. Les nouvelles pièces d’assemblage boulonnées ont été mises en place lors du remontage.
- Étape 5 : les améliorations apportées aux boîtes de réglage (fig. 5) et aux systèmes hydrauliques, ainsi que les exercices portant sur l’ensemble des fonctionnalités de l’E1, notamment l’alignement et le réglage, les mouvements de rotation et de translation, ont été réalisés au cours du premier trimestre 2026. Les quatre boîtes de réglage assurent le fonctionnement essentiel de l’enfourneur. Elles permettent de régler finement la position du supermodule dans les directions radiale et tangentielle.
- Étape 6 : l’insertion et l’extraction du mannequin supermodule à 90° ont été effectuées avec succès en février 2026 (fig. 6).
- Étape 7 : Après le succès de ces tests l’E1 a été désinstallé puis transporté dans un hall de stockage en mars 2026.
Conclusion
La remise en état et la campagne de tests de l’enfourneur 1 ont été effectuées avec succès sur le site de CMS entre septembre 2025 et mars 2026.
Toutes les fonctionnalités ont été testées et améliorées. L’enfourneur 1 est désormais opérationnel pour être utilisé lors des prochaines étapes d’intégration.
L’Irfu, avec l’appui de son antenne au CERN, continuera de s’impliquer dans les activités liées à l’enfourneur 1 tout au long du LS3.
Contacts : Marc Besancon, Zhihong Sun
