L’Irfu en première ligne pour le futur du LHC !
Dès 2030, le grand collisionneur de hadrons du CERN entrera dans sa phase à haute luminosité (HL-LHC), avec des conditions de prise de données extrêmes imposant une refonte complète de plusieurs détecteurs. L’Irfu joue un rôle central dans cette révolution technologique en lançant, en collaboration avec deux laboratoires du CNRS de la région parisienne, l’IJCLab et le LPNHE, la production de plus de 2200 modules à pixels pour l’expérience ATLAS – soit environ 20 % des modules du futur détecteur à pixels du trajectographe interne (ITk). Grâce à des infrastructures de pointe spécialement mises en place et au travail acharné de ses équipes, l’Irfu est devenu, en début d’année, le premier institut entièrement qualifié pour cette production d’exception. Chaque semaine, des dizaines de modules seront assemblés et testés sur place en suivant un contrôle qualité drastique. Un défi humain et technologique majeur, pour permettre au LHC d’atteindre une précision inégalée dans l’exploration des couplages du boson de Higgs et de la physique au-delà du Modèle standard.
Un nouveau détecteur à la hauteur des défis du HL-LHC
Dans le cadre de la jouvence du détecteur ATLAS pour la phase à haute luminosité du grand collisionneur de hadrons (HL-LHC), l’Irfu joue un rôle clé dans la construction de l’Inner Tracker (ITk), un détecteur de particules de pointe (cf. Figure 1) conçu pour reconstruire la trajectoire des particules chargées dans les conditions extrêmes de fonctionnement de cet accélérateur de particules de 27 km de circonférence situé entre la Suisse et la France.
À partir de 2030, le HL-LHC produira pendant dix ans jusqu’à 200 interactions proton-proton à chaque croisement de faisceaux tous les 25 nanosecondes (40 MHz), rendant l’identification du point d’interaction principal particulièrement complexe. ITk, en synergie avec les autres détecteurs d’ATLAS, relèvera ce défi en jouant un rôle central dans la reconstruction des trajectoires de particules. En particulier, la haute granularité du détecteur à pixels d’ITk permettra de mesurer la position du point d’interaction principal avec une résolution de l’ordre de 10 μm, soit deux fois meilleure que celle du détecteur actuel, et ce malgré une densité d’interactions doublée. La mesure du déplacement des trajectoires des particules chargées par rapport au point d’interaction principal, un paramètre fondamental pour identifier par exemple les désintégrations du boson de Higgs en paires de quarks b et c, sera également améliorée jusqu’à un facteur deux, tandis que le nombre de “fausses” trajectoires ne correspondant à aucune particule réelle, dues au bruit et à l’environnement très encombré, sera négligeable [JINST 20 (2025) 02, P02018].
Pour atteindre ces performances exceptionnelles, ITk s’impose comme l’un des détecteurs les plus ambitieux de sa catégorie. Avec près de 8 500 modules intégrant environ 5 milliards de pixels répartis sur une surface de 14 m², ITk offrira une capacité de détection sans précédent. Ainsi, les mesures d’ITk permettront une identification plus fine des différents types de collisions et rendront possible l’étude des interactions du boson de Higgs avec une précision inédite (cf. Figure 2), fournissant ainsi de précieuses indications sur la physique au-delà du Modèle standard.
Un défi technologique et humain pour un détecteur d’exception
Une fois installé, l’ITk restera en service sans possibilité d’intervention pendant toute la durée du programme HL-LHC (environ dix ans). Sa fiabilité doit donc être irréprochable. Afin de garantir un fonctionnement optimal, chaque module — l’une des briques élémentaires du futur détecteur (cf. Figure 3) — fait l’objet d’un contrôle qualité rigoureux au moment de sa construction (cf. Figures 4 et 5), selon une méthodologie inspirée de celles employées dans les programmes spatiaux, où la maintenance est également pratiquement impossible après déploiement.
L’un des nombreux défis du projet ITk réside dans l’ampleur de la production de ses composants : la fabrication de plusieurs milliers de modules impose une cadence de fabrication inédite en laboratoire pour des composants d’une telle complexité (cf. Figure 6 et 7 pour un aperçu de certaines infrastructures dédiées à l’Irfu).
En effet, le projet implique la fabrication de plus de 12 000 modules dans un délai limité, soit une cadence de production de plusieurs modules par jour dans certains sites de production. Cela nécessite le développement de lignes de production largement automatisées pour gérer des volumes aussi élevés tout en maintenant des normes de qualité rigoureuses. Chaque module est constitué d’environ 600 000 pixels, chacun devant être testé et calibré individuellement. La vérification du bon fonctionnement de chaque module selon plusieurs paramètres critiques (fiabilité des connexions électroniques, robustesse vis-à-vis de contraintes mécaniques, performances permettant une alimentation des modules en série, etc.) peut durer jusqu’à plusieurs semaines par module, nécessitant le développement de systèmes permettant de tester de manière quasi autonome un grand nombre de modules simultanément. L’ensemble de ces exigences a nécessité plus de dix ans de recherche et développement, mobilisant des laboratoires du monde entier.
L’Irfu, un acteur clé de la production des modules
L’Irfu a rejoint le projet ITk en 2020, en s’engageant pleinement dans la production en série des modules ITkPix. Pour relever ce défi, l’institut collabore avec deux laboratoires du CNRS en région parisienne : le LPNHE (Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies) et l’IJCLab (Institut de Physique des 2 Infinis de Paris-Saclay) (voir actualité 2021)
Ensemble, ces instituts sont chargés de produire environ 2 200 modules, soit environ 20% des modules du détecteur à pixels d’ITk. L’objectif : livrer ces modules dans les délais impartis, avec une qualité conforme aux exigences du projet. Après montée en régime, 27 modules seront assemblés et 27 autres passeront le contrôle qualité chaque semaine.
En janvier 2025, l’Irfu est devenu le premier institut entièrement qualifié pour la production de modules ITkPix.
Lancement de la phase de production
En mars 2025, les premiers modules de production ont été assemblés à l’Irfu et sont actuellement en cours de finalisation du contrôle qualité.
Le projet ITk continuera de mobiliser à l’Irfu et dans le monde des centaines d’ingénieurs, techniciens et chercheurs jusqu’à la livraison du détecteur en 2029.
Grâce à son expertise et à son engagement, l’Irfu participe activement à cet effort sans précédent pour la construction de détecteurs performants au HL-LHC, éléments essentiels pour tirer pleinement parti des données qui y seront collectées.
Contacts : Matthias SAIMPERT, Julien GIRAUD
