ATLAS-Muons

Simulation d'un événement "Higgs" dans
le spectromètre à muons d'Atlas: en gris les bobines du Toroïde, et en vert les chambres à muons

OBJECTIF

Les muons, une variété « lourde » d’électrons, sont des particules capables de traverser tout l’absorbeur des calorimètres sans être arrêtées. Le spectromètre à muons entoure les calorimètres et mesure les trajectoires des muons pour déterminer leurs quantités de mouvement avec une grande précision. Il comporte des milliers de détecteurs - en forme de tube avec un fil central - placés dans le volume du champ magnétique toroïdal. Le spectromètre à muons est un détecteur spécifique au sein de l'expérience Atlas, qui sert à mesurer avec une très grande précision l'impulsion et la direction des muons. Ces particules, voisines de l'électron et plus massives que celui-ci, sont les composants les plus faciles à capter de la signature du Boson de Higgs, car elles perdent très peu leur énergie lors de la traversée de la matière. Elles seront ainsi détectées plus aisément. L'aimant du spectromètre, grâce au champ magnétique, confère une courbure précise aux particules qui seront ensuite détectées par les chambres à fils. À partir des points de passage enregistrés, on reconstruit la trajectoire des muons ; la mesure de la courbure de la trajectoire et la connaissance de l’intensité du champ magnétique permettent de déterminer les caractéristiques du muon détecté : signe de la charge électrique, direction et énergie.

La reconstruction des trajectoires des muons nécessite plus de 650 chambres sur trois niveaux. les chambres sont faites de tubes à dérive avec un système d'alignement permettant d'atteindre des précisions de 30 microns sur des distances de plus de 10m.

CONTEXTE:

De même que la réalisation d'un aimant toroïdal à air est une première mondiale, son instrumentation integrée entre ses 8 bobines l'est tout autant.

CONTRIBUTION DE L'IRFU

Les contributions:

-La conception, réalisation, calibration et intégration du système d'alignement
-La détermination de la carte de champ magnétique d'Atlas (calcul et mesures)
-Les logiciels de reconstruction et de visualisation des trajectoires de muons
-Les logiciels d’analyse et la base de données des constantes d'alignement

Les responsabilités:

L'alignement des chambres du spectromètre à muons de la partie centrale est de la responsabilité de l'IRFU, en collaboration avec l'institut Nikhef (Pays-Bas).

Ampleur du projet:

-Le projet Atlas-muon (système d'alignement) a l'IRFU a représenté environ 100h/an sur 14ans comprenant plus de 5 ans de développement.

COLLABORATIONS

Institut de Nikehf (Pays-Bas)

INSTRUMENTATIONS

L'aimant du spectromètre à muons est constitué de 8 bobines supraconductrices produisant un champ magnétique toroïdal dans un grand volume dans l'air.

Ce grand volume d'air est rempli de plus de 650 chambres à fils constituées de tubes à dérive, réparties en trois couches dans la partie centrale appelée "barrel". Elles sont conçues pour mesurer la courbure de la trajectoire des muons dans le champ magnétique avec une précision de 50 microns. Pour atteindre cette performance, le spectromètre est équipé d'un réseau de 5800 triplets de capteurs optiques contrôlant en permanence la position de ces chambres.
La qualité des mesures dépend du système d'alignement qui suit la position et la déformation des chambres avec une précision de 30 microns (sur des distances pouvant atteindre plus de 10 mètres).

Le champ magnétique est mesuré à l'aide de 1800 capteurs constitué chacun de 3 sondes de Hall (x, y ,z).

La mesure en ces points permet la reconstruction de la position exacte des bobines supraconductrices. On en déduit la valeur du champ en tout point du spectromètre.

Le système d'alignement optique est réalisé à base de faisceaux de lumière infrarouge.

Le principe de ces capteurs de positions optiques est simple : Une caméra CCD observe à travers une lentille une image cible. Ces trois éléments sont montés à des endroits stratégiques de l'expérience, et leurs déplacements relatifs induisent une variation de l'image vue par la caméra. La combinaison des 5800 réponses permet de connaître la position des chambres.
Outre sa mise en oeuvre sur les chambres du spectromètre, ce système d’alignement a également été utilisé avec succès pour observer l'évolution de la position des bobines magnétiques durant leur mise en courant. Une trentaine de plaques de référence portant des caméras infrarouge sont montées sur les bobines. Les huit bobines du toroïde sont ainsi alignées grâce à un réseau de 128 lignes de visée optiques.

Spécificités:

Atlas a été confronté à des défis nouveaux. D’une part, à cause le l’intensité extrême des faisceaux, les détecteurs et l’équipement électronique doivent être résistants aux radiations. D’autre part, la quantité de données produites par le milliard de collisions par seconde constitue un débit d’informations dont l’ampleur est inédite. L’analyse de ces données sera faite dans les universités et laboratoires partout dans le monde grâce à l’utilisation intensive de la « grille de calcul ».

Capteurs optiques d'alignement

VIE DU PROJET

Historique et principaux jalons:

- 1997: Collaboration TDR (études de faisabilité)
- Fin 1998: Collaboration MoU (accord financier)
- 14/10/1998: CDR Dapnia
- 28/04/2000: Dapnia CSTS SPP (Conseil scientifique de suivi)
-17/03/2001: collaboration PDR Alignement (coordination de tous les laboratoires au niveau national)
- 2003: validation, en faisceau test au CERN, du système d'alignement
- Début 2005: lancement de l'installation d'un premier lot de 50 chambres et du système d'alignement de référence en parallèle avec le toroïde
- Mi-2005: fin d'assemblage et de calibration des milliers de capteurs
- 09/2005: mesures de l'ovalisation du toroïde avec le système d'alignement de référence lors du relâchement après assemblage en caverne
- Fin 2005: lancement de l'installation de toutes les chambres et de leur système d'alignement
- Mai-juin 2006: envoi des derniers capteurs au CERN
- Août 2006: premiers rayons cosmiques détectés dans la caverne d'Atlas-Novembre 2006: premiéres mesures du champ magnétique du toroïde Atlas

-12/2007: Fin de l'intégration et des tests des milliers de lignes optiques
-06/2008: Test final de l'alignement et des trois toroides.

-10 septembre 2008: Première circulation d'un faiceau dans le LHC

-Accident (19 septembre 2008) dû à une connexion électrique défectueuse entre deux aimants (pour en savoir plus): report du démarrage du LHC. L'activité se poursuit pour améliorer notre compréhension du détecteur (hardware, fits d'alignement, traces droites, etc...).

Faits marquants:

-Nuit du 9 Novembre 2006: mise en courant nominale des bobines extérieures et mesures précises de leur déformation.
Un courant de 21 000 ampères a été injecté dans les 8 bobines de l’aimant d’Atlas, soit 500 ampères de plus que le courant nécessaire pour produire le champ magnétique prévu. Tous les tests de fonctionnement ont été passés avec succès. Pendant les tests du toroïde, des rayons cosmiques ont pu être enregistrés dans le spectromètre. À 100 m sous terre, dans la zone expérimentale d’Atlas, des muons ont été détectés par les trois couches de détecteurs.

Enregistrement des rayons cosmiques: détails du fait marquant

Atlas comprend 4 grands aimants supraconducteurs (Toroïde central, 2 toroïdes "bouchons", solénoïde central).

La mesure de l'impulsion des particules nécessite l'établissement d'une carte de champ précise en valeur de champ et en position, et rapidement accessible par le programme de reconstruction des traces.

Ceci repose sur la mesure du champ par les capteurs, la connaissance des courants parcourant les bobines et leur géométrie, et la connaissance des masses magnétiques environnantes (calorimètre hadronique, structures, etc.)

Carte de champ dans un plan d'une bobine du toroide central.

PRODUCTION INTELLECTUELLE

Publications:

Measurement of the muon reconstruction performance of the ATLAS detector using 2011 and 2012 LHC proton-proton collision data, ATLAS Collaboration, Eur.Phys.J. C74 (2014) 3130

The alignment system of the barrel part of the ATLAS muon spectrometer. J.C. Barriere et al. ATL-MUON-PUB-2008-007; http://cds.cern.ch/record/1081769/files/muon-pub-2008-007.pdf.

The control on the deformation of the ATLAS barrel toroid warm structure.
F. Bauer, A. Foussat, P.F. Giraud, C. Guyot, B. Levesy, P. Ponsot, P. Schune, Z.
Sun, P. Vedrine (IRFU, Saclay & CERN) . 2007. 4pp.
Prepared for 10th Pisa Meeting on Advanced Detectors: Frontier Detectors for
Frontier Physics, La Biodola, Elba, Italy, 21-27 May 2006.
Published in Nucl.Instrum.Meth.A572:145-148,2007.

Combined test beam results on the alignment of muon chambers and muon
reconstruction in the 2004 ATLAS H8 setup.
F. Bauer et al. 2007. 4pp.
Prepared for 10th Pisa Meeting on Advanced Detectors: Frontier Detectors for
Frontier Physics, La Biodola, Elba, Italy, 21-27 May 2006.
Published in Nucl.Instrum.Meth.A572:98-101,2007.

An optical sensor for the ATLAS muon spectrometer: The reference alignment
system.
J.C. Barriere et al. 2006. 4pp.
Prepared for International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for
Particles and Imaging, Bonn, Germany, 5-8 Sep 2005.
Published in Nucl.Instrum.Meth.A565:268-271,2006.

Calibrations of two alignment sensors used in the ATLAS barrel muon
spectrometer.
J.C. Barriere et al. DAPNIA-04-508, Apr 2005. 5pp.
Prepared for 2004 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
(NSS / MIC), Rome, Italy, 16-22 Oct 2004.

Status of the alignment sensor calibrations in the ATLAS muon experiment.
J.C. Barriere, O. Cloue, B. Duboue, V. Gautard, C. Guyot, P. Perrin, P. Ponsot,
Y. Reinert, J.P. Schuller, P. Schune (DAPNIA, Saclay) . DAPNIA-04-507, Apr 2005.
4pp.
Prepared for Computing in High-Energy Physics (CHEP '04), Interlaken,
Switzerland, 27 Sep - 1 Oct 2004.

Calibration and production of praxial sensors for the ATLAS muon
spectrometer.
By Saclay hardware alignment group (P. Schune et al.). DAPNIA-03-79, Apr 2003.
11pp.

An optical sensor for the alignment of the ATLAS muon spectrometer.
J.C. Barriere et al. DAPNIA-03-47, Mar 2003. 3pp.
Prepared for 3rd Beaune Conference on New Developments in Photodetection (Beaune
2002), Beaune, France, 17-21 Jun 2002.
Published in Nucl.Instrum.Meth.A504:356-358,2003.

Two transparent optical sensors for the positioning of detectors using a
reference laser beam.
J.C. Barriere et al. DAPNIA-01-03, IWAA-1999-020, 2001.
Prepared for 8th Pisa Meeting on Advanced Detector: Frontier Detectors for
Frontier Physics, La Biodola, Isola d'Elba, Italy, 21-25 May 2000.
Published in Nucl.Instrum.Meth.A461:233-246,2001.

Development of a transparent optical telescope for the absolute positioning
with respect to a reference laser beam.
J.C. Barriere, O. Cloue, C. Guyot, P. Ponsot, J.C. Saudemont, J.P. Schuller, P.
Schune, S. Sube (DAPNIA, Saclay) . DAPNIA-99-04, Sep 1999. 10pp.
Hardcopy at DESY.

Vue générale d'une nouvelle petite roue (NSW)

Activites Upgrade

Pour limiter le taux de declenchement et maintenir les performances du spectrometre a muon lors de la montee en luminosite instantanee attendue apres 2018, un projet de remplacement des premieres couches de chambres situees en amont des toroides vers l'avant (petite roue) a ete lance: le projet NSW (New Small Wheel). Il prevoit de remplacer les chambres MDT, TGC et CSC de ces couches par une nouvelle generation de chambres TGC et par des chambres de type MicroMegas (MM) dont la technolique est issue de la R&D a Saclay dans les annees 1990. L'IRFU va contruire environ 25% des chambres MM de NSW.

The ATLAS Collaboration. New Small Wheel Technical Design Report; CERN-LHCC-2013-006. CERN, Geneva, 2013