Département de Physique des Particules

Le LHC fournit des collisions à ATLAS à un taux de croisement de paquets de protons de 26 millions par seconde. Comme toutes les collisions ne sont pas intéressantes et que le volume de données serait trop important pour toutes les enregistrer, seule une petite partie est sélectionnée par le système de déclenchement d’ATLAS. Le premier niveau de déclenchement (niveau 1, Level-1, hardware) utilise des informations partielles de l'événement et décide de le conserver ou de le rejeter en moins de 2,5 microsecondes, réduisant le taux de 26 MHz à 100 kHz. Le deuxième niveau (High-Level Trigger, software) effectue une reconstruction complète des événements et réduit le taux à conserver d'un autre ordre de grandeur. Le système de déclenchement utilise diverses informations de la collision en particulier la présence dans l’événement de particules rares comme les muons.

Le projet NSW a été motivé par la nécessité de réduire le bruit de fond élevé observé dans le système de déclenchement de niveau 1 des muons vers l’avant du détecteur pendant le Run 1 du LHC (2010-2013) afin de pouvoir faire face à la luminosité attendue au HL-LHC (High-Luminosity LHC, LHC à haute luminosité). Un muon émanant d’une collision au centre du détecteur ATLAS traverse, dans cet ordre : une NSW, l’aimant toroïdal, une première grande roue (Middle), puis une seconde (Outer). À l’origine d’ATLAS, seule la grande roue Middle était équipée d’un système de déclenchement. L'objectif principal des NSW est d’apporter un point de mesure additionnel, en amont de l’aimant toroïdal, au système de déclenchement afin de rejeter les particules ne provenant pas du point d'interaction. La conception choisie est une combinaison de deux technologies capables à la fois de déclencher (nécessitant une réponse rapide et une bonne précision de mesure temporelle) et de mesurer avec précision la trajectoire des muons. La première utilise des chambres sTGC (small-strip Thin Gap Chambers, permettant un déclenchement rapide) possédant trois unités de lecture: pads (rectangles d’environ 8 cm de largeur dans le plan de mesure), bandes de 3.2 mm de largeur, et fils orientés perpendiculairement aux pads et aux bandes. La deuxième utilise des chambres Micromegas (Micro-Mesh Gaseous Structure, permettant une mesure précise) avec des bandes résistives de moins d'un demi-millimètre de largeur. Avec 8 couches de mesure chacune, les deux technologies offrent une bonne redondance. Dans le cadre de la phase 1 de la jouvence d'ATLAS, les roues ont été installées en 2021, à la fin du LS2 (Long-Shutdown 2, 2019-2021), juste avant le début du Run 3 du LHC (2022-2026).

Le système de déclenchement des muons vers l’avant fait coïncider les informations NSW avec le système de déclenchement des Big Wheels Middle. Le déclenchement des NSW est mis en œuvre en plusieurs étapes. Dans un premier temps, en 2023, plusieurs secteurs ont été activés en utilisant uniquement les pads des sTGC, ce qui ne nécessite pas l'utilisation du processeur de déclenchement NSW dédié. Le 8 mai 2024, des informations NSW ont été incluses dans 85 % des secteurs de déclenchement, ce qui a permis de réduire le taux de déclenchement au niveau 1, de 25 kHz à 13 kHz. Le 21 mai, les points de mesure des Micromegas pour ces mêmes secteurs ont été ajoutés pour la toute première fois. Enfin, le 28 mai, grâce à l'ajout des informations de Micromegas, tous les secteurs restants (certains souffrant d'une faible efficacité des sTGC) ont pu être inclus, ce qui a conduit à une réduction totale du taux de déclenchement principal des muons de 14 kHz, tout en conservant 96 % des muons intéressants. Le taux de déclenchement total d'ATLAS est limité à 100 kHz, de sorte qu'une réduction de 14 kHz est significative et permet de prendre des données à une luminosité plus élevée. Actuellement, ATLAS est capable de prendre des données avec une luminosité instantanée de 2,2 10³⁴ cm^-2s^-1 à 13,6 TeV, ce qui produit 65 événements de pile-up par croisement de paquets. L'ajout d'informations Micromegas est particulièrement intéressant dans les secteurs souffrant d'une faible efficacité des sTGC : non seulement cela augmente l'efficacité du déclenchement, mais cela permet également d'activer des secteurs qui ne seraient pas suffisamment efficaces autrement, contribuant ainsi à la réduction du bruit de fond.

Lors du Run 4 (qui devrait débuter en 2030), la luminosité sera jusqu'à trois fois plus élevée qu'aujourd'hui, ce qui exercera une pression encore plus forte sur le système de déclenchement. La prochaine étape pour les NSW consistera à utiliser, en plus des pads des sTGC et des bandes Micromegas, les bandes des sTGC, qui permettent une reconstruction plus précise que les pads et une redondance supplémentaire, réduisant ainsi davantage le bruit de fond.

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