Une électronique de pointe pour le calorimètre de l'expérience Atlas du LHC

Publié par Redbran le 04/09/2021 à 13:00
Source: CEA

(c)CEA/Irfu
Au terme d'une dizaine d'années de R&D, l'Irfu a livré au Cern, en juillet 2021, 74 nouvelles cartes électroniques destinées au calorimètre électromagnétique d'Atlas, produites par la société FEDD. Ces cartes supporteront le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) croissant qui sera produit par le LHC dès son redémarrage, en février 2022.

Les calorimètres électromagnétique et hadronique de l'expérience Atlas jouent un rôle essentiel dans l'identification des produits de collisions proton-proton du LHC parmi d'innombrables combinaisons. Segmentées en couches concentriques, les cellules des calorimètres mesurent sélectivement les dépôts d'énergie électromagnétique (Les forces électrostatiques et magnétiques peuvent faire déplacer des objets à distance, il...) (électrons ou photons) et hadronique plus pénétrants (protons, pions, jets reliés à des quarks, gluons de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), etc).

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), le système de déclenchement du calorimètre électromagnétique doit opérer un tri extrêmement rapide pour ne prendre en compte que les données des régions où ont lieu les interactions susceptibles d'être intéressantes (photon ou électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) de haute énergie, jet énergétique, énergie transverse manquante, etc.).

Jusqu'à présent, le déclenchement utilisait la somme analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) de signaux produits par des groupes de cellules adjacentes, sans information sur la pénétration en profondeur des gerbes électromagnétiques.

Le nouveau système, dont le flux de données sortant est purement numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) (~200 Gbit/s et par carte), permet d'analyser les gerbes avec une granularité plus fine (10 fois plus de signaux utilisés pour le déclenchement) en incluant une mesure d'énergie et de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) par couche de détection. La mesure d'énergie permet notamment au système de déclenchement de distinguer les contributions électromagnétiques et hadroniques. De plus, la numérisation (La numérisation est le procédé permettant la construction d'une représentation...) des données très tôt dans la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un...) autorise le calcul d'observables plus riches en informations que les sommes analogiques.

Forts de l'expérience acquise au cours du développement des anciennes cartes analogiques, les physiciens et ingénieurs de l'Irfu ont participé à la conception, à la mise au point (Graphie), à la fabrication et aux tests de 74 nouvelles cartes de déclenchement du calorimètre électromagnétique (sur 150 au total).

Aux limites de l'état de l'art, chaque carte compte quelque 13.000 composants résistants aux rayonnements ionisants, dont 130 ASIC (Application Specific Integrated Circuit), sur un très grand circuit imprimé (Le circuit imprimé est un support, généralement une plaque, destiné à regrouper des composants...) de 24 couches (41 × 49 cm²) refroidi par circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). Chacune traite 320 canaux du système de déclenchement et est reliée au système principal par 40 liaisons optiques à 5,2 Gbits/s. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) génère un flot de données total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) de 29 térabit/s (1012 bits/s).
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