Fin juin 2026, les derniers protons du Run 3 ont circulé dans le LHC : un chapitre se referme, un autre s’ouvre. En 2026, la machine a atteint sa performance nominale avec 1,8×10¹¹ protons par paquet (appelé faisceau), et environ 60 collisions de protons à chaque croisement de paquets. 2026 est la dernière année du Run 3.
Place au Long Shutdown 3, trois années et demie de chantier intense pour préparer le LHC à haute luminosité (HL-LHC) et son redémarrage en 2030, avec jusqu’à 200 collisions à chaque croisement de faisceaux. Les collaborations des experiences ATLAS et CMS reconstruisent entièrement leurs détecteurs internes : gérer 200 événements empilés simultanément, c’est ~10 fois plus de traces superposées à démêler tous les 25 nanosecondes — soit 40 millions de croisements par seconde aux points de collision d’ATLAS et CMS.
Les équipes de l’Irfu, qui travaillent depuis plusieurs années sur la jouvence de détecteurs de ces 2 grandes experiences, sont en première ligne de cette transformation. Un défi d’ingénierie colossal, mené de front avec l’exploitation des données accumulées lors du Run 3.
Les prochaines années seront consacrées à la transformation du LHC et des expériences pour le LHC à haute intensité (HL-LHC), un programme de mise à niveau ambitieux qui se terminera par le retour des faisceaux de particules en 2030.
La mise à niveau HL-LHC augmentera considérablement l’intensité du collisionneur, ou « luminosité ». Environ 200 collisions proton-proton sont attendues chaque fois que les faisceaux se croisent, créant un environnement extraordinairement dense et fournissant un immense pouvoir statistique pour explorer la structure de la matière et ses interactions fondamentales.
Malgré son nom – « Long Shutdown 3 » – cette période de mise à niveau sera tout sauf calme, exigeant des campagnes d’ingénierie complexes et intenses. Dans les instituts du monde entier, les chercheurs ont passé des années à concevoir, construire et tester la prochaine génération de technologies de détecteurs qui vont maintenant commencer à être installés au CERN.
Pour ATLAS, l’Irfu contribue à
- la refonte d’un tout nouveau trajectographe interne (ITk) entièrement en silicone doté de 178 mètres carrés de détecteurs de silicium actif et de 5 milliards de canaux de lecture, capables de reconstruire les trajectoires des particules avec une précision micrométrique. Une partie des modules de ce nouveau trajectographe sont en cours de fabrication à l’Irfu.
Un consortium de laboratoire français incluant le CEA-Irfu s’est engagé pour produire conjointement environ 2 200 modules, soit près de 20% des modules nécessaires au détecteur ITk complet.
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Module pour le détecteur ITk de l’expérience ATLAS au LHC. crédit photo L.Godard/CEA |
opérations de wire-bonding en salle blanche au CEA-Irfu, une étape de câblage de haute précision reliant les différents composants électroniques des modules ITk. |
Test et caractérisation des modules pour le détecteur ITk de l’expérience ATLAS au LHC. |
L’irfu est aussi fortement impliqué dans :
- la refonte du système d’électronique du calorimètre à Argon liquide afin de supporter les conditions de prise de données attendues au HL-LHC
- et dans l’amélioration du système d’alignement du spectromètre à muons.
Pour CMS, l’Irfu contribue à trois projets, qui permettront la mesure du temps de passage des particules avec une précision de quelques dizaines de picosecondes, une nouveauté pour qui permettra de réduire l’impact des conditions de prise de données.
- Le changement de l’électronique de lecture de la partie centrale du calorimètre électromagnétique (ECAL). l’Irfu fournit une puce de lecture quatre fois plus rapide que précédemment permettant d’obtenir une résolution en temps sans précédent de 30 ps à haute énergie, ainsi qu’une nouvelle électronique de lecture du système de monitorage laser.
- Un nouveau calorimètre vers l’avant à haute granularité (HGCal). l’Irfu a conçu la partie timing (mesure du temps) de la puce de lecture.
- Un nouveau détecteur de précision de temps de passage des particules chargées (MTD) situé entre le trajectographe et les calorimètres. l’Irfu est responsable du design du système d’acquisition des données et du contrôle de la distribution d’horloge de précision.
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tests de cablage du laser monitoring au Cern sur le spare supermodule du ECAL |
tests de vieillissement des composants de l’upgrade du LM à Saclay avec la chambre climatique | decommisionning des fibres lasers dans CMS afin de les préserver pour la phase II (cables noirs enroulés dans les trous au niveau du solénoïde) |
L’installation de ces mises à jour est loin d’être un exercice facile.
Les ingénieurs doivent démonter soigneusement les parties à remplacer dans les détecteurs actuels et les reconstruire avec de nouvelles générations de technologies de détection. Le travail comprend la suppression et le remplacement des principaux systèmes de détection, le réacheminement et l’installation de kilomètres de câblage, la mise en œuvre d’un système de refroidissement au dioxyde de carbone amélioré et l’intégration d’une nouvelle infrastructure informatique et de services étendue.
Cet effort d’ingénierie colossal n’est qu’une partie de l’histoire. Alors que les équipes transforment les expériences pour le HL-LHC, les collaborations doivent continuer à analyser l’énorme lot de données enregistré par le LHC au Run 3.
En particulier, les expériences ATLAS et CMS ont maintenant enregistré 505 fb-1 de données de collision proton-proton, dont 332 fb-1 ont été collectés pendant la seule course 3.
Alors qu’une ère du LHC touche à sa fin, une autre va bientôt commencer.
Contacts: Julie Malcles, Frédéric Deliot
