Les géants d'Atlas en route pour le Cern !

Publié par Redbran le 05/07/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU
Dans le cadre de l'augmentation de luminosité du Large Hadron Collider (LHC), la première phase d'amélioration de l'expérience Atlas arrive à son terme, avant un redémarrage prévu début 2022. Pour répondre aux exigences de la physique dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) hautement radiatif et à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de particules, les deux roues internes du spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...) à muons vont être remplacées par un nouveau dispositif: les New Small Wheels (NSW) ou nouvelles petites roues.

Après plusieurs années de R&D et de production, l'Irfu vient tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) juste d'envoyer au Cern le dernier des 32 modules de détection qui seront intégrés dans les NSW. Cela correspond à l'assemblage d'environ 400 m2 de détecteurs gazeux basés sur la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) Micromegas: un record !


photo ©Cern

Les New Small Wheels d'Atlas

Une équipe de physiciens, d'ingénieurs et de techniciens de l'Irfu achève la fabrication des 32 détecteurs gazeux de type Micromegas constituant les nouvelles petites roues (NSW) du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) Atlas et couvrant une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) totale de 400 m2. Les NSW font partie d'un programme de jouvence du détecteur Atlas en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) du Run3 du LHC qui devrait démarrer en 2022, puis de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...), dite HL-LHC, lors de laquelle le taux de collisions sera environ 5 fois supérieur à celui du Run2 (2015-2018).

La technologie Micromegas a été sélectionnée par l'expérience Atlas en 2012 pour équiper les NSW du spectromètre à muons, en association avec un autre type de détecteur, les small Thin Gap Chambers (sTGC). Pesant plus de 100 tonnes chacune et dédiées à la reconstruction des traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de...) des muons, les NSW devront permettre de répondre aux exigences de l'expérience lors de la phase HL-LHC.


Vue en éclatée de l'expérience Atlas. La zone entourée en jaune représente la position d'une des futures NSW. Il y en aura une à l'avant et une à l'arrière de l'expérience. Chaque roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) fait ~9,5 m de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). La fabrication des 1200 m2 de détecteurs Micromegas nécessaire aux 2 nouvelles roues a été confié à 4 laboratoires européens dont Saclay qui a la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de la fabrication des modules LM1 soit 400 m2 de détecteurs Micromegas.

Les NSW devront donc fonctionner dans un environnement à fort rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) (il faut des détecteurs resistants aux radiations) et haut flux de particules (il faut des détecteurs supportant un haut taux d'occupation) tout en permettant la reconstruction des traces de muons avec une précision de 50 à 70 μm, la mesure de leur impulsion avec une précision de 15 % à 1 TeV, ainsi que le déclenchement des prises de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) à chaque collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) de protons, soit toutes les 25 ns.

Ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) de grande envergure (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour...) a nécessité à l'Irfu le travail de 25 personnes pendant 7 années et la résolution de nombreux défis technologiques. L'Irfu devait produire et tester 32 détecteurs multicouches de forme trapézoïdale, de 12 m2 chacun, pour une surface d'environ 400 m2 sur les 1200 m2 des 2 roues: un record pour la technologie Micromegas !

Ces nouveaux détecteurs construits par l'Irfu sont déjà installés, ou en cours d'intégration au Cern sur deux grandes roues mécaniques de 9,5 mètres de diamètre. Trois autres groupes/consortia de laboratoires ont eux aussi produit de tels assemblages de détecteurs afin de paver la surface nécessaire des deux roues: ils sont basés en Allemagne, en Italie, en Grèce et en Russie. Les deux roues devraient être installées dans la caverne d'Atlas à 100 m sous terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), d'ici fin 2021.

Genèse d'une invention CEA

Inventés à la fin des années 90 par l'Irfu et le Cern, et plus récemment déclinés en mode résistif par ces mêmes instituts, les détecteurs gazeux Micromegas ont déjà été déployés dans plusieurs expériences mais jamais à une telle échelle. Dès la fin des années 2000, l'Irfu avait proposé d'améliorer l'expérience Atlas avec un pavage (Un pavage (ou dallage) est une partition d'un espace (généralement un espace euclidien comme le...) de détecteurs Micromegas à anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) résistive, car cette nouvelle technologie était particulièrement prometteuse pour pouvoir fonctionner à très haut flux de particules, de l'ordre de 15 kHz/cm2 !

Un travail mécanique d'orfèvre

En plus d'être une première pour la surface couverte, la construction des NSW a aussi été une prouesse en terme de précision mécanique avec laquelle ces détecteurs ont été assemblés. Il a fallu en effet déployer une technique de construction très spécifique, afin de garantir une compréhension mécanique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) de ces assemblages à mieux qu'un cheveu près, soit mieux que 40 microns pour les plans de détection de 12 m2 ! Le groupe de l'Irfu a d'ailleurs assuré l'étalonnage mécanique des éléments de précision dans les trois autres consortia de construction, grâce à sa grande expérience dans le domaine de l'opto-mécanique micrométrique (voirl'alignement des chambres à muons d'Atlas).

Parmi les nombreuses difficultés rencontrées, il en fut une particulièrement difficile à surmonter, et qui encore aujourd'hui fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'études à l'Irfu. En effet, les détecteurs Micromegas des NSW sont composés d'un assemblage de circuits imprimés de très grandes tailles produits chez deux industriels partenaires en France et en Italie, et allant jusqu'à ~1 m2. Ces circuits sont ensuite équipés d'anodes résistives fournis par la collaboration via plusieurs instituts situés au Japon. Or cette partie de l'équipement s'est avérée avoir, pour certains consortia dont Saclay, une résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...) à la limite inférieure de ce qui était attendu, engendrant ainsi des difficultés de fonctionnement. Pour retrouver des paramètres de fonctionnement standard, il a été nécessaire de rendre passif le début de ces pistes résistives sur quelques centimètres (par l'ajout d'une fine couche isolante). La zone inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) ainsi créée ne représente que 2 % de la surface, ce qui aura peu d'impact sur le fonctionnement du trajectographe.

Les circuits imprimés qui supportent les électrodes sont assemblés en panneaux composites lors de plusieurs centaines d'opérations dans une salle blanche spécifique, en partie financée par la région Ile-de-France. Ils sont ensuite intégrés dans les modules qui sont faits de 5 panneaux (2 panneaux de lecture double face et 3 panneaux de dérive).


Photo de l'intérieur de la salle blanche qui a servi à l'assemblage des détecteurs. On y voit les outillages de fabrication des panneaux composites et, au fond, les tables en granit équipées d'appareils de métrologie ainsi que la zone d'assemblage des modules. Ces derniers sont constitués de 5 panneaux, 2 de lecture et 3 de dérive (droite).
La construction de cette salle blanche a été rendue possible grâce à un financement SESAME de la région Ile de France.

Mesure des performances de reconstruction sur un "banc cosmique"

Après vérification du comportement électrique des modules et contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de leur métrologie, ces détecteurs sont enfin testés sur un banc cosmique qui valide leur bon fonctionnement. Ce banc fonctionne grâce au flux de muons atmosphériques qui arrivent en permanence jusqu'au sol. Ces particules traversent facilement de grandes épaisseurs de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) avec peu d'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) et "allument" lors de leur passage les détecteurs à tester, permettant ainsi une vérification de leur fonctionnement. Une fois validés, ces détecteurs sont ensuite envoyés au Cern pour être intégrés dans les roues.


Banc cosmique servant à la validation finale des détecteurs avant leur envoi au Cern. Le module en test est posé sur la structure porteuse. Trois plans de référence permettent de caractériser le point (Graphie) d'impact des muons dans le détecteur à tester: deux sont situés au-dessus (marqués d'un trait bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) clair), et un en-dessous. On voit aussi sur la gauche une partie de l'électronique de lecture, et sur la droite le système de contrôle du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) gazeux circulant dans le détecteur.


Voir vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...): http://irfu.cea.fr/Images/Video/471/Atlas-NSW.mp4
Cette vidéo retrace certaines étapes du projet NSW (New Small Wheel) à l'Irfu porté par une équipe de physiciens, d'ingénieurs et de techniciens. Ce projet a démarré en 2014 pour s'achever en mi 2021 et a permis la fabrication des 32 détecteurs gazeux de type Micromegas constituant les nouvelles petites roues du détecteur Atlas. La plupart des images ont été prises avant la mise en place du protocole sanitaire. Réalisation F. Rhodes 2021

Pour conclure

Cette participation à la jouvence du détecteur Atlas a permis de développer à l'Irfu une technique originale de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre...) précis de circuits imprimés les uns par rapport aux autres, ainsi que de nouvelles compétences dans l'intégration de détecteurs gazeux dont certains constituants peuvent être préalablement produits par des industriels. Pour mener à bien cette production, il a aussi fallu mettre au point de nombreux outillages ainsi que leur asservissement (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est...) et leur contrôle, pour des opérations comme le lavage, le séchage ou encore le conditionnement en haute tension (La tension est une force d'extension.) des modules.

Désormais, depuis plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...), l'Irfu participe aussi à l'intégration au Cern de ces détecteurs. Outre la responsabilité de la réception des détecteurs et de leur test sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...), l'Irfu a en charge la coordination technique mécanique des NSW. L'intégration des deux NSW dans l'expérience Atlas devrait durer jusqu'à fin 2021. Une fois les détecteurs installés, plusieurs mois seront encore nécessaires pour les tester, afin d'être prêt pour le redémarrage du LHC en 2022.

Contacts:
Fabien Jeanneau, Philippe Schune

En savoir plus:
- https://home.cern/fr/news/news/experiments/first-atlas-new-small-wheel-nears-completion
- https://atlas.cern/updates/news/NSW-final-slice


Vue des deux roues en cours d'équipement avec leurs détecteurs au Cern. On voit à gauche la première roue presque complète (le dernier module arrive sur sur la droite) qui sera installée dans Atlas en Juillet 2021 et à droite la deuxième roue où les premiers secteurs sont intégrés (les câbles, alimentations électriques, fluides étant déjà installés).
On distingue sur la roue de droite la structure porteuse (en bleue) ainsi que les éléments permettant d'accrocher les détecteurs (les huit "Y" partant du centre de la roue). Le trou au centre de la roue est l'endroit par lequel passera le tube à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) de l'accélérateur. Chaque roue une fois équipée pèse une centaine de tonnes.
photo ©Cern
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