L’Irfu a réalisé dans un temps record le détecteur TPOT pour l’expérience sPHENIX aux États-Unis. Ce détecteur Micromegas permet l’étalonnage de l’instrument principal de trajectographie de sPHENIX, la chambre à projection temporelle. C’est grâce à l’expertise acquise ces dernières années autour du laboratoire MPGD que le design (2021), la réalisation (été 2022) et les tests (automne 2022) ont pu être achevés si rapidement. La prise de données a démarré avec succès en 2023 et a continué en 2024. Les performances du détecteur sont détaillées dans la publication Nucl.Instrum.Meth.A 1066 (2024) 169615.

sPHENIX : Vingt ans après, un nouveau chapitre pour le RHIC

L’année 2023 a vu l’introduction de la nouvelle expérience sPHENIX. Ce dispositif est situé sur l’anneau du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), pionnier des collisionneurs d’ions lourds, niché dans l’enceinte du Brookhaven National Laboratory sur la péninsule de Long Island, à New York, États-Unis.

L’expérience sPHENIX se distingue en tant que première et unique initiative d’une nouvelle expérience lancée vingt ans après l’inauguration de l’accélérateur en 2000. Elle exploite l’ultime opportunité de collecter les données issues des collisions au sein du RHIC, juste avant sa métamorphose en vue de l’avènement du futur collisionneur électron-ion (EIC) dont la mise en service est prévue pour 2030.

La mission principale de cette étude est d’analyser les caractéristiques du plasma quark-gluon généré pendant les collisions de faisceaux d’or à une énergie de 200 GeV dans le centre de masse. Ce programme inclut la mesure de la production de jets, c’est-à-dire des gerbes de particules, ainsi que l’identification des saveurs lourdes, notamment les particules contenant un quark charmé ou bottom. Par ailleurs, le RHIC peut également faire circuler des faisceaux de protons polarisés, ce qui permettra d’effectuer des collisions proton-proton et proton-or.

sPHENIX (Fig. 1) est constitué d’un ensemble de détecteurs cylindriques de rayons croissants, insérés les uns autour des autres jusqu’au tube de l’accélérateur, où les faisceaux ultra-relativistes se rencontrent et entrent en collision 15000 fois par seconde. L’ensemble de l’expérience pèse près de 1000 tonnes, équivalent à une maison de deux étages. Différents types de détecteurs permettent d’identifier les particules produites lors des collisions, de les caractériser et de reconstruire leurs trajectoires.

Fig. 1 : Schéma des détecteurs de l’expérience sPHENIX.

La trajectographie de sPHENIX

Les particules traversent d’abord deux détecteurs en silicium :

le détecteur de vertex (MVTX), qui détermine précisément la position de la collision grâce à des capteurs silicium de type MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) avec une résolution de 5 micromètres,
et le trajectographe à pistes en silicium (INTT pour INTermediate Tracker), dont la résolution temporelle de 100 nanosecondes permet d’associer les traces mesurées à la collision qui les a produites.

Ensuite, les particules chargées sont mesurées par le détecteur principal de l’expérience : la chambre à projection temporelle (TPC), d’un rayon de 80 cm, remplie d’un mélange de gaz Ar-CF4. Les charges sont lues par des systèmes à multiplicateurs d’électrons gazeux (GEM). La TPC est complétée par un détecteur Micromegas (TPOT) réalisé à l’IRFU pour optimiser son étalonnage.

Enfin, vient le calorimètre électromagnétique (EMCAL) pour mesurer les électrons et photons, puis les deux calorimètres hadroniques (iHCAL et oHCAL) qui mesurent l’énergie des particules sensibles à l’interaction forte. Ces derniers entourent l’aimant supraconducteur (MAGNET) de 1,4 T hérité de l’expérience Babar au SLAC située sur l’autre côte américaine.

L’ensemble est également équipé de systèmes pour mesurer la luminosité et la polarisation du faisceau, déclencher l’acquisition des données (MinBIAS) et caractériser les événements enregistrés (sEPD). La figure 2 présente le détecteur en cours d’assemblage avant l’insertion du MVTX et des roues du sEPD.

Figure 2 : Dans l’oeil du cyclone – Photo de l’expérience pendant l’installation avant l’insertion du détecteur de vertex (MVTX).

Les Micromegas à la rescousse de la trajectographie

L’IRFU a joué un rôle essentiel dans la construction des modules de détection pour le trajectographe TPOT installé sur sPHENIX. Ce détecteur, basé sur la technologie Micromegas, vise à permettre l’étalonnage de la TPC qui est le détecteur principal de sPHENIX. Le trajectographe TPOT couvre la partie inférieure extérieure de la TPC et fournit des points de mesure supplémentaires pour la reconstruction précise des traces. Les traces mesurées entre le système de trajectographie internet et TPOT sont ensuite interpolées (Fig. 3).

La réalisation du programme de physique repose sur une résolution de 150 μm dans la TPC pour la reconstruction des traces. L’environnement créé par le haut taux de collisions et le nombre important de particules créées implique la présence d’un grand nombre de charges électriques au sein du volume de dérive de la TPC. L’un des défis associés à son fonctionnement est la gestion des distorsions locales du champ électrique dues à l’accumulation de charges et aux fluctuations dans son volume.

Afin d’atteindre les résolutions requises en impulsion et en énergie pour la trajectographie, il est nécessaire de mesurer et de corriger avec une précision inférieure à 100 μm ces distorsions de l’ordre du centimètre, avec des variations sur une échelle de 10 ms. Pour cela, différents systèmes sont mis en œuvre : des systèmes de lasers, la lecture des courants sur les pads de la cathode centrale de la TPC, la mesure de courants digitaux et l’utilisation des traces mesurées par les détecteurs situés avant la TPC. Le détecteur TPOT intervient dans cette dernière méthode en fournissant également la position des traces après la TPC. Cela permettra d’avoir une reconstruction des distorsions événement par événement dans la partie inférieure de la TPC ainsi que leur dépendance longitudinale.

Figure 3 : Illustration de la reconstruction d’une trace entre le systeme de trajectographie interne composé des détecteurs INTT (cercles jaunes) et MVTX (verts) et un des huit modules du détecteur TPOT.

Le détecteur TPOT est composé de 8 modules disposés en trois segments : un segment central avec 4 modules alignés le long de l’axe du faisceau, flanqué de deux modules de chaque côté (cf fig 3) . Chaque module comprend deux détecteurs Micromegas empilés, permettant de déterminer la position des particules mesurées selon deux directions orthogonales. Une représentation de la reconstruction d’une trace entre le système de trajectographie interne et un des modules de TPOT est illustrée sur la figure 3.

L’efficacité du détecteur a été mesurée en 2023 lors de la prise de données des collisions Au+Au à 200GeV. Un exemple d’une telle mesure est montré sur la figure 4. Selon la haute tension appliquée, on atteint environ 90% dans les conditions nominales d’opération. Les pourcentages manquants sont notamment attribuables à la déconnexion d’un câble lors de l’assemblage final.

Figure 4 : Exemple de mesure de l’efficacité d’un détecteur de TPOT en collisions Au+Au en fonction de la haute tension appliquée.

De l’idée à la réalité : quand la réactivité fait la différence !

Le projet TPOT à l’IRFU a été mené à bien en un temps record, une prouesse rendue possible par la réalisation complète du détecteur en interne, depuis la conception (achevée en novembre 2021) jusqu’à l’intégration des modules de détection (en juillet 2022).

La conception a été guidée par les exigences de l’expérience et les délais serrés. Par exemple, parmi les contraintes, l’inaccessibilité du détecteur après installation entraine une exigence de fiabilité. L’espace disponible est aussi très limité. Pour remplir ces conditions, le détecteur intègre une redondance dans la distribution de la haute tension et est renforcé par une plaque externe en carbone pour assurer sa planéité et sa solidité. L’environnement est également exigeant, marqué par des collisions d’ions lourds à une fréquence de 50 kHz et un champ magnétique de 1.4 T.

Les données sont collectées via l’électronique SAMPA, mise au point pour la chambre à dérive temporelle de l’expérience ALICE au LHC et également utilisée pour celle de sPHENIX. Elle sert de base pour le développement de l’électronique SALSA à l’IRFU avec l’Université de Sāo Paolo pour l’expérience ePIC du futur collisionneur EIC.

Figure 5 : Le détecteur TPOT sur son cadre avant l’insertion au sein de l’expérience sPHENIX.

Le détecteur a été installé sur son support mécanique par l’équipe de l’IRFU en septembre 2022 (Fig. 5 et 6) avant d’être mis en service avec succès avec l’observation des premières collisions en août 2023. La première phase d’acquisition des données a eu lieu de juin à octobre 2024 avec des collisions proton-proton à 200 GeV. Elle sera complétée par les collisions Au-Au à la même énergie l’année suivante.

Les performances finales du détecteur dans le système de trajectographie global sont en cours d’analyse et pourront être finalisées lorsque les données des autres détecteurs de l’expérience seront également disponibles.

Cette réalisation a permis d’exprimer l’agilité et l’expertise du CEA dans la conception et la production de détecteurs Micromegas pour les expériences de physique à haute énergie. Elle a également été l’occasion d’une collaboration réussie avec le Los Alamos National Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Stonybrook University, Brookhaven National Laboratory et le laboratoire MPGD du CERN.

Les physiciens de l’IRFU sont maintenant impliqués dans la prise de données et leur analyse pour les prochaines années. Une thèse est en cours sur la mesure de l’asymétrie de spin transverse des pions neutres dans les collisions proton-proton.

Figure 6 : L’équipe TPOT devant le détecteur à BNL

Contacts CEA/IRFU: Audrey FRANCISCO (DPHN), Maxence VANDENBROUCKE (DEDIP)