LHC Saison 2, les grands travaux des expériences

La semaine prochaine, les expériences entreront en scène pour la deuxième saison du LHC. Pour se préparer à prendre les données de cette deuxième période d'exploitation avec des collisions à plus haute énergie, elles se sont parées de nouveaux costumes.


Pendant le premier long arrêt technique, des centaines de collaborateurs ont investi les cavernes expérimentales pour améliorer les détecteurs. Quatre de ces détecteurs, ALICE, ATLAS, CMS et LHCb, sont d'immenses machines sophistiquées, mesurant jusqu'à 40 mètres de long et 20 mètres de haut, et formées de dizaines de sous-détecteurs, composés de millions de capteurs sensibles. Chaque sous-détecteur est chargé de déterminer des caractéristiques d'un ou plusieurs types de particules émergeant des collisions de particules. Parmi eux, les trajectographes révèlent la trajectoire des particules chargées et les calorimètres mesurent l'énergie de certaines particules. Les données recueillies sont groupées et analysées pour comprendre ce qui s'est passé au moment des collisions. Pendant cette deuxième période d'exploitation, jusqu'à 1 milliards de collisions de protons pourront survenir chaque seconde au centre des détecteurs.

La plupart des collisions ne donnent pas des résultats intéressants et l'ensemble des énormes quantités de données générées ne pourrait être enregistré. Un indispensable tri est donc effectué par le système de déclenchement des détecteurs pour ne retenir que plusieurs centaines d'événements intéressants chaque seconde. Le système d'acquisition enregistre ensuite les données et les envoie vers le réseau d'ordinateur mondial, la Grille de calcul, afin que les physiciens puissent les analyser. Pendant les deux ans du long arrêt technique, tous ces systèmes ont été vérifiés, parfois rénovés ou améliorés. Petit aperçu des principaux travaux dans les cavernes avant le grand démarrage de la Saison 2. 


ALICE, l'expérience qui étudie la matière aux tout premiers instants de l'Univers, le plasma de quarks et de gluons, a amélioré la plupart de ses 19 sous-détecteurs. Parmi eux, le calorimètre électromagnétique, qui mesure l'énergie des électrons, positons et photons issus des collisions, a été complété par un nouveau calorimètre, le calorimètre di-jet, pour couvrir une plus grande surface de détection. Des modules ont été ajoutés à d'autres sous-détecteurs. Des dizaines de kilomètres de câbles ont été changés avec le remplacement complet de l'infrastructure électrique. Côté informatique, ALICE a doublé sa capacité d'enregistrement des données. Pour y parvenir, les experts informatiques de l'expérience ont amélioré les systèmes de déclenchement et d'acquisition de données. 



ATLAS a de meilleurs yeux, avec une quatrième couche de pixels dans son trajectographe à pixels, le détecteur le plus proche des collisions chargé de reconstruire la trace des particules. Les détecteurs à muons et les calorimètres ont aussi été améliorés, ainsi que toute l'infrastructure de base (alimentation électrique, systèmes de refroidissement). Des sections du tube de faisceau, où les protons circulent et entrent en collision, ont été remplacées pour réduire le bruit de fond dans le détecteur. ATLAS s'est préparé à enregistrer plus de données avec des  systèmes de déclenchement et d'acquisition de données plus efficaces. Mille événements pourront être enregistrés chaque seconde, plus du double par rapport à la première période d'exploitation. De surcroît, un plan a été mené à bien pour améliorer les logiciels de simulation, reconstruction et analyse des données utilisés par les physiciens pour réaliser leurs recherches.



L'expérience CMS a réalisé d'importants travaux sur son trajectographe afin qu'il fonctionne à plus basse température. Il a été équipé d'un nouveau système d'étanchéité et d'un système de refroidissement rénové. La section centrale du tube de faisceau, où se produisent les collisions, a été changée par un tube de plus petit diamètre afin d'installer au cours du prochain long arrêt technique un nouveau trajectographe à pixels. Un tout nouveau sous-détecteur,  le télescope à luminosité à pixels, installé de part et d'autre de l'expérience, permettra de mieux mesurer la luminosité, une mesure du nombre de collisions qui se produisent dans l'expérience. De nouvelles chambres à muons ont été installées, le calorimètre hadronique, qui mesure l'énergie des particules contenants des quarks, a été doté de photodétecteurs plus performants. Enfin, le système de déclenchement a été amélioré et une refonte de l'informatique et des logiciels permettra de réduire le temps d'analyse de données.


LHCb, l'expérience qui scrute les particules de beauté, a ajouté un détecteur  HeRSChel le long de la ligne de faisceau pour distinguer des processus rares dans lesquels des particules sont observées dans le détecteur LHCb, mais pas le long de la ligne de faisceau. Le tube de faisceau de l'expérience a d'ailleurs été remplacé, tout comme ses supports, plus légers et plus " transparents ". La transparence est une quête permanente des expériences dont les détecteurs doivent détecter sans biaiser les résultats, sans intercepter des particules qu'ils ne devraient pas stopper par exemple ou sans altérer les trajectoires.