Physique et Détecteurs aux Collisonneurs Linéaires

Le projet de collisionneur linéaire LC (Linear Collider, ILC ou CLIC) vise à proposer un nouvel outil pour poursuivre l’étude aujourd’hui menée au LHC des composants ultimes de la matière et de leurs interactions. Formé de deux accélérateurs se faisant face, le LC accélèrera et fera entrer en collision des électrons et leurs antiparticules, des positrons, à haute luminosité et à des énergies jusqu’à 15 fois supérieures aux précédents accelérateurs de ce type. Combinée à l’interaction très précise de deux particules sans sous-structure qui s’annihilent, le LC permettra de mesurer avec une grande précision les propriétés des particules, telles que le boson de Higgs, et pourrait également éclairer des nouveaux domaines de physique tel que celui de la matière noire.

PNG - 350.1 ko
Vue d’artiste de l’ILC au Japon

Depuis 2006, le groupe Linear Collider Detector (LCD) développe des détecteurs Micromegas pour une calorimétrie ultra-granulaire auprès d’un futur collisionneur à électrons. Ce type de calorimétrie permettrait d’atteindre une résolution excellente sur l’énergie des jets en séparant lors de la reconstruction les signaux de gerbes de particules chargées et neutres (méthode dite du Particle Flow). L’ambition première du groupe était la construction et la caractérisation d’un prototype réaliste de calorimètre hadronique (HCAL) utilisant des chambres Micromegas de 1x1 m2 dotées de damiers d’anode de 1x1 cm2 et d’une lecture à 2-bits (ou 3 seuils). Dans cette optique, quatre prototypes ont été construits. Ils répondent aux principales exigences du cahier des charges d’un ILC comme l’épaisseur de moins de 1 cm par couche active, l’intégration de l’électronique frontale au plus prés du milieu sensible (littéralement entre les absorbeurs), l’auto-déclenchement et l’alimentation pulsée (ou power-pulsing).

Assemblage d'un prototype Micromegas de 1x1 m2

En parallèle du travail sur les Micromegas de grande taille, le groupe se consacre depuis 2011 sur les Micromegas à anode résistive qui permettent d’éviter la formation d’arcs électriques entre les bornes du détecteur. Contrairement à leurs prédécesseurs, ces Micromegas ne nécessitent pas de circuits de protection de l’électonique frontale. Leur dessin est donc plus simple et leur fabrication à grande échelle moins coûteuse. Toutefois, les règles régissant leur comportement sont aujourd’hui peu connues. Après validation du concept de protection résistive sur quelques prototypes dessinés sur des bases empiriques, une étude systématique des propriétés des Micromegas résitifs est menée depuis 2014. Cette R&D générique ouvre de nouvelles perspectives car elle permet d’envisager des applications à très haut flux, dans des gaz purs ou dans l’air. Elle dépasse du cadre LC/HCAL et pourrait être capitalisée dans les upgrades LHC, dans des prototypes de TPC argon liquide ou par des applications hors de la physique des hautes énergies (muographie).

PNG - 52.1 ko
Principe de fonctionnement du détecteur Micromegas résistif

Le détecteur Micromegas consiste en un volume gazeux plan séparé en deux régions par une fine grille d’acier de 20 μm d’épaisseur. Les électrons libérés dans la région de faible champ électrique (3 mm, 400 V/cm) dérivent vers la grille et pénètrent dans la région de fort champ (128 μm, 40 kV/cm) où ils sont multipliés par effet d’avalanche. Le plancher d’anode est segmenté en damiers conducteurs qui permettent une mesure de la charge totale des avalanches, de leur position et du moment où elles se sont produites. Le Micromegas résistif intègre en plus un fin dépôt résistif sur la surface des damiers. La capacité de ce film lui permet de se charger et lorsque la charge des avalanche devient trop importante, le champ électrique est localement réduit. L’étincelle est alors avortée. L’exédent local de charge est ensuite évacué suivant une constante de temps RC qui détermine entre autre, la tenue en flux du détecteur.

La méthode de fabrication (dite Bulk) fournit un détecteur robuste où la grille est solidaire du circuit imprimé d’anode (ou PCB). Les Micromegas sont utilisés principalement comme trajectographes en physique appliquée et en physique des particules. Par exemple pour la recherche de matière noire (plan focal du télescope à axions CAST), l’étude de la matière hadronique (spectromètre de COMPASS au CERN) et la mesure des oscillations de neutrinos (TPC du détecteur proche de T2K). Ils ont été choisis pour le remplacement des chambres à muons d’ATLAS dans la région vers l’avant et sont pressentis pour la TPC d’une des deux expériences auprès d’un ILC (expérience ILD). Le groupe du LAPP est le premier à étudier les Micromegas pour la calorimétrie sur collisionneurs. Depuis quelques années, il a été rejoint par Demokritos (Athènes) et l’IRFU (Saclay). Egalement, le groupe R&D détecteurs de l’institut Weizmann (Israel) s’est lancé sur une technologie alternative aux Micromegas, des THGEM resistifs.




mis à jour le lundi 16 janvier 2017

Version imprimable version imprimable


LAPP UMR5814, 9 Chemin de Bellevue - BP 110 - Annecy-le-Vieux, 74941 ANNECY CEDEX - FRANCE
Tél : (33) (0) 4 50 09 16 00 - Fax : (33) (0) 4 50 27 94 95 - GPS : N 45° 55' 14.002'' / E 6° 9' 33.998''
TVA : FR40180089013 - SIRET : 18008901303605