Département d'Ingénierie des Systèmes

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ATLAS-NSW : sortie du premier prototype et début des tests sur banc cosmique   

L’Irfu a une implication importante dans le programme d’upgrade de l’accélérateur et des expériences du Large Hadron Collider (LHC) au CERN. En ce qui concerne l’expérience ATLAS, un des projets majeurs porte sur l’amélioration des performances des détecteurs de muons des petites roues (Small Wheels - 10 mètres de diamètre). Les détecteurs actuels doivent être remplacés et installés sur deux nouvelles roues - New Small Wheel (NSW) - situées d’une de part et d’autre de l’expérience, lors de l’arrêt du LHC prévu en 2019 et 2020.

La partie avant du spectromètre à muons d’Atlas est actuellement constituée de détecteurs gazeux MDT (Monitored Drift Tubes) et CSC (Cathode Strip Chambers), qui seront remplacés par d’autres détecteurs gazeux Micromegas et sTGC (small Thin Gap Chambers). Les performances de tenues aux radiations des NSW dans l’environnement du LHC en mode Haute Luminosité seront ainsi améliorées, ainsi que leur capacité de tri des évènements. Ce dernier point permettra de réduire le nombre de « faux » déclenchements en améliorant la reconstruction de la direction des traces qui auront été présélectionnées

La collaboration ATLAS-NSW réunit plus d’une dizaine de pays dont cinq pour la construction des Micromegas : Allemagne, France, Italie et Grèce et Russie. Pour ce projet, l’Irfu est responsable de la construction d’un quart des Modules Micromegas, ce qui correspond à 32 chambres trapézoïdales comprenant chacune 4 plans de lecture de 3 m².

Compte-tenu des contraintes dictées par la physique sur la précision de ces détecteurs, la construction des Modules requiert des conditions de température, d’hygrométrie et de propreté très rigoureuses. Cela a donc nécessité la construction d’une salle blanche de 140 m² au sein de la plateforme CICLAD (Conception, Intégration et Caractérisation de Détecteurs de grandes tailles), cofinancée, dans le cadre d'un programme SESAME, par la région Ile-de-France.

 

Membres de l’équipe ATLAS-NSW en salle blanche construisant un panneau. Un Module de 4 plans de détection est constitué de 5 panneaux composites qui supportent les différentes électrodes.

 

Les caractéristiques principales qui doivent être satisfaites par les détecteurs Micromegas, pour assurer une reconstruction de l’impulsion du muon de 15% à 1 TeV, sont les suivantes :

• Résolution dans la direction radiale, indépendamment de l’angle d’incidence des traces : 100 microns.
• Résolution sur la seconde coordonnée : quelques mm.
• Performance pour la sélection des traces: résolution angulaire de 1 mrad.
• Tenue jusqu'à des flux de 15 kHz/cm² au plus proche du faisceau.
• Pas de vieillissement sur la durée d'utilisation de 15 ans.

L’obtention de ces performances implique un choix minutieux des matériaux, une réalisation très précises des nombreuses pièces constituant les Modules et la mise en place d’un procédé de construction très détaillé, contenant plus de mille étapes.

Ainsi les circuits imprimés portant les pistes de lecture doivent être collés précisément afin de garantir le positionnement des pistes à 30 microns près dans la direction radiale et à 80 microns selon l’axe du faisceau.

Ce défi technique a nécessité des interactions continues d‘experts de l’Irfu en mécanique, détecteurs, mesure physique, métrologie et analyse de données, issus de trois départements (DEDIP, DIS et DPHP) et travaillant en équipe intégrée.

Le Module-0 a permis de défricher et de tester plusieurs techniques de construction pour atteindre les spécifications demandées. Il a aussi conduit à l’amélioration significative de la qualité des pièces constitutives des Modules et notamment des circuits imprimés de lecture réalisés dans l’industrie. La finalisation de ce prototype valide donc un ensemble d’outillages complexes et le démarrage de la construction des 32 Modules que le CEA Saclay doit fournir. L’ensemble de ces connaissances permettront, lors de la construction du premier Module de série prévue pour la fin de l’année 2017, de consolider tous les processus de fabrication.

 

Premier Module de test d’échelle 1 construit à Saclay, appelé Module-0 et actuellement installé sur le banc cosmique. Ce banc cosmique permet de valider les performances des Modules produits à Saclay.

 

Tout juste sorti de salle blanche, le Module-0 est maintenant installé sur le banc de test cosmique du hall 546 où il a d’ores et déjà détecté ses premiers muons. Cette étape extrêmement encourageante est le prélude à des tests quantitatifs dont les résultats sont attendus courant septembre 2017.

Contacts: Alan Peyaud, Philippe Schune

apeyaud, dépêche du 23/08/2017