Depuis sa mise en service, le LHC a permis des avancées majeures sur la compréhension du Modèle Standard de la physique des particules, de la découverte du boson de Higgs aux mesures les plus précises de la masse du boson W et des propriétés du quark top. Pour aller encore plus loin, une phase haute luminosité du LHC débutera en 2030, permettant d’augmenter le taux de collisions d’un facteur 5 et la quantité de données totale d’un facteur 10. Pour soutenir ces conditions extrêmes, le détecteur CMS doit subir nombres de modifications y compris l’ajout d’un détecteur de temps (MTD) et le remplacement complet de la calorimétrie avant (HGCAL). En particulier, l’électronique de lecture de tous les détecteurs est revue. L’IRFU a conçu plusieurs puces au cœur de cette électronique pour le calorimètre central (ECAL), le HGCAL et le MTD. Une caractéristique commune à toutes ces puces est le soin extrême apporté à la mesure de temps qui doit être réalisée avec une précision jamais atteinte sur des systèmes aussi complexes : des millions de voies de lecture, provenant de systèmes hétérogènes, doivent être synchronisées avec une précision meilleure que 30 ps. En effet, l’expérience CMS a fait le pari de la précision temporelle pour limiter les effets indésirables de l’augmentation du taux de collision. La totalité des puces auxquelles l’IRFU contribue entre aujourd’hui dans la phase de production. À cette occasion, nous vous proposons un tour d’horizon.
Depuis la découverte du boson de Higgs au LHC en 2012, la quantité de données fournie par le LHC aux expériences généralistes ATLAS et CMS a été accrue par plus d’un ordre de grandeur et l’énergie dans le centre de masse augmentée progressivement de 7&nbps;TeV à 13.6 TeV. Ces données ont permis des avancées majeures en ce qui concerne les mesures des propriétés du boson de Higgs, avec par exemple la mesure de sa masse avec une précision de l’ordre du pour mille, l’observation des modes de production en association avec un boson de jauge ou une paire de quarks top-antitop, ou encore l’observation de sa désintégration en une paire de leptons tau. Ces données ont également permis de faire un grand nombre de mesures de précision, comme celles de la masse du W ou du quark top avec des précisions inégalées, ou encore de mesurer les sections efficaces de processus attendus mais encore jamais observés comme par exemple la production de quatre quarks top.. Un autre enseignement est la non-observation de nouvelles particules ou interactions : soit la nouvelle physique, qui complète nécessairement le modèle standard (MS) de la physique des particules, est hors de portée du LHC, soit son observation nécessite beaucoup plus de données.
La phase à haute luminosité du LHC (HL-LHC) couvrira une dizaine d’années à partir de 2030. Il s’agit d’un projet ambitieux tant du point de vue de l’accélérateur que des expériences. Fonctionnant pratiquement à la même énergie mais à beaucoup plus grande intensité, le HL-LHC vise à fournir une quantité de données 10 fois supérieure à celle enregistrée (2010-2026). Une telle quantité de données, en donnant accès à des processus de plus en plus rares, ouvre des perspectives de physique immenses. L’un des objectifs ultimes sera d’observer la production simultanée de bosons de Higgs, phénomène riche d’enseignement sur la nature de la transition de phase à l’origine de l’émergence de la matière dans l’univers primordial.
Au cours de la phase HL-LHC, le taux d’empilement (nombre moyen de collisions par croisement des faisceaux) augmentera d’un facteur 5, atteignant jusqu’à 200, à comparer à 40 au Run-2. Dans ces conditions, les détecteurs devront faire face à un niveau de radiation sans précédent tout en préservant des performances égales ou supérieures à celle du Run-2 pour déceler les collisions potentiellement intéressantes dans l’océan des collisions tout venant. Une importante cure de jouvence de CMS est nécessaire.
Pour contrer l’augmentation drastique du taux d’empilement, CMS fait le pari de la cinquième dimension : le temps. Les détecteurs de nouvelle génération de CMS seront en mesure de fournir, en plus de leur énergie et/ou localisation dans l’espace, le temps de passage des particules avec des précisions jamais atteintes à une telle échelle, typiquement quelques dizaines de picosecondes (ps, i.e. 10-12 s). CMS se dotera notamment d’un nouveau détecteur, le MTD (MIP timing detector), exclusivement dévolu à la mesure du temps des particules chargées qui le traversent, avec une précision de 30 à 60 ps.
L’IRFU joue un rôle moteur dans plusieurs des projets de jouvence de CMS : la mise à jour de l’électronique frontale d’ECAL et de son système de monitorage laser; le développement de l’électronique d’HGCAL (calorimètre situé dans les parties avant de CMS); la conception de la suite logiciel gérant le système d’acquisition des données du détecteur de timing MTD; et la conception du système de distribution d’horloge pour les détecteurs HGCAL et MTD. L’IRFU est en particulier impliqué dans la conception et la production de plusieurs circuits imprimés qui équiperont ces nouveaux détecteurs.
CATIA & MONACAL
Une précision temporelle de 50 ps pour des électrons et photons de haute énergie (supérieure à 50 GeV) sera permise par la refonte de l’électronique de lecture des signaux d’ECAL, à comparer à 150 ps avec l’électronique actuelle. Les équipes de l’IRFU ont conçu un circuit intégré nommé CATIA qui permet, entre autres, de garantir une linéarité (capacité d’un système à fournir une mesure strictement proportionnelle au signal d’entrée) sur la mesure de l’énergie meilleure que le pour mille,
L’IRFU est aussi en charge de la jouvence du système de monitorage laser d’ECAL. Il s’agit d’améliorer la fiabilité du système actuel pour parer la dose d’irradiation à laquelle il sera soumis. Si le concept reste identique, le nombre de points de mesure sera doublé et l’électronique de lecture entièrement revue. Une nouvelle puce de lecture, nommée MONACAL, a été développée, bénéficiant du savoir-faire acquis sur CATIA. L’équipe se concentre en 2024 sur la finalisation des cartes de lecture (Figure ci-dessous) avant la phase de production prévue en 2025. Il est à noter que les jouvences de l’électronique frontale de lecture et du système de monitorage d’ECAL sont sous la seule responsabilité de l’IRFU, qui honore ainsi son implication historique dans ce détecteur.
HGROC
CMS remplacera entièrement sa calorimétrie vers l’avant et l’arrière par un nouveau système, le HGCAL, calorimètre de haute granularité conçu pour fournir une description précise et exhaustive des particules chargées ou neutres, ou des jets de particules, qui l’atteignent : position et topologie tridimensionnelle des gerbes, énergie totale déposée, et, là encore, temps d’arrivée. Avec 6 millions de voies d’électronique, les circuits intégrés HGCROC permettent la lecture faible bruit, grande vitesse et sur une grande plage dynamique des signaux de HGCAL avec une faible consommation d’énergie (moins de 15 mW/canal). Cette puce, développée en collaboration avec OMEGA (Ecole Polytechnique – CNRS/IN2P3), l’Université AGH des sciences et technologies (Pologne) et le CERN, mesure et numérise la charge déposée dans les détecteurs HGCAL. Elle fournit également une mesure de haute précision du temps d’arrivée (ToA) des particules et transmet les données numérisées. Les équipes de l’IRFU ont conçu deux éléments de ce circuit : deux convertisseurs numériques de temps (TDCs), l’un permettant la mesure du ToA et l’autre la mesure de l’énergie (ToT). L’ensemble est asservie à une horloge de haute précision (Phase-Locked Loop, PLL) permettant de générer la référence en temps également développée par l’IRFU. Des bancs de test et procédures de calibration ont été mis en place pour la caractérisation de ces fonctionnalités.
L’IRFU à également testé les fonctionnalités TDC et PLL et pu démontrer que, grâce au système de calibration interne à la puce, la précision temporelle obtenue était de l’ordre de 15 ps en moyenne sur l’ensemble des voies (Fig. ci-dessous), supérieure aux spécifications requises par la collaboration CMS.
La version finale de la puce apportant des corrections de design par rapport à l’itération précédente, a été soumise en juillet 2024 pour débuter la phase de production durant l’année 2025.
RAFAEL
Le signal d’horloge du LHC est distribué aux différents systèmes électroniques de lecture des détecteurs de CMS pour leur servir de référence temporelle. Ce signal joue donc un rôle capital dans la mesure du temps de passage des particules, et sa qualité ne doit pas être compromise par la chaîne de distribution. Le circuit intégré RAFAEL, développé par l’IRFU, constitue un maillon essentiel dans cette chaîne en assurant la réplication des signaux numériques tout en limitant la gigue temporelle apportée (i.e. la dégradation du signal d’horloge) en dessous de 4 ps, et ce, même après une irradiation pouvant atteindre 300 Mrad en radiation ionisante et 5 1016 Neq 1 MeV/cm2 en radiation non-ionisante (Figure ci-dessous). Une revue de production a été passée avec succès en décembre 2022 et l’IRFU est en charge de la production et de la validation d’environ 40 000 puces RAFAEL pour l’ensemble de CMS pour 2024.
F. Bouyjou
Contacts:
Fabrice Couderc
Fabrice Guilloux