LHC: un alignement au centième de millimètre

Publié par Adrien le 12/10/2020 à 09:00
Source: CERN
Le trajectographe interne d'ATLAS peut mesurer la position des particules chargées avec une précision supérieure au centième de millimètre. Pour cela, il faut que l'alignement du détecteur soit effectué avec une précision supérieure ou égale.


La couche la plus centrale du trajectographe interne d'ATLAS: le sous-détecteur à pixels. (Image: CERN)

La précision est indispensable au succès d'une expérience. Mais comment faire pour suivre la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) d'une particule lorsque le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour...) n'arrête pas de bouger ? C'est la question qu'il a fallu résoudre pour le trajectographe interne de l'expérience ATLAS durant la deuxième période d'exploitation du LHC (2015-2018).

Situé au coeur de l'expérience, le trajectographe interne d'ATLAS est capable de mesurer la position des particules chargées qui le traversent avec une précision supérieure au centième de millimètre. Pour cela, il faut que l'alignement du détecteur soit effectué avec une précision au moins égale. Dans un article récent, des physiciens d'ATLAS détaillent les solutions complexes qu'ils ont mis au point (Graphie) pour assurer la précision de l'expérience.

Le trajectographe, objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) de 2 m de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) et de 6 m de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...), est composé de trois sous-détecteurs comportant des pixels en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) à forte granularité, des rubans de silicium et des pailles. Lorsque les particules chargées traversent le détecteur, elles laissent derrière elles une trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil...) constituée de petits dépôts d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dans chaque sous-détecteur, ce qui permet par la suite de reconstituer leur trajectoire.

Or, ces détecteurs sont loin d'être stationnaires. Pendant les collisions à haute intensité qui se produisent dans le LHC, ils peuvent se déplacer en raison de fluctuations de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...) ou de changement de l'intensité du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...). Les scientifiques d'ATLAS ont constaté que certaines parties du détecteur présentaient des indices montrant de brefs déplacements. Lorsque les puces électroniques des sous-détecteurs enregistrent des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) - jusqu'à 100 000 fois par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...) - elles doivent utiliser une certaine puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) électrique, ce qui provoque une hausse de température au centre du détecteur ATLAS.


Verticalité du sous-détecteur à pixels au cours d'un seul cycle d'exploitation du LHC. La ligne bleue en pointillé représente la position moyenne. La luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) instantanée apparaît en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur,...). (Image: ATLAS Collaboration/CERN)

Dans la couche située au plus près du coeur du trajectographe, c'est-à-dire dans le sous-détecteur à pixels, cet effet est particulièrement prononcé. L'excédent de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) provoque l'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce phénomène est une vaporisation.) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...) de refroidissement des pixels, ce qui entraîne un changement rapide de sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...). Le pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise...) se déplace de façon significative pendant la première heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire »...) d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données, jusqu'au moment où l'équilibre thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) entre le sous-détecteur et le système de refroidissement est atteint. À mesure que diminue l'intensité des collisions, la dissipation de chaleur diminue également. Le fluide de refroidissement du pixel reprend alors sa forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), ce qui accroît la masse totale du sous-détecteur et entraîne un lent déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture...) dans la direction opposée.

Pour résoudre ce problème, les physiciens d'ATLAS ont dû mettre au point un nouveau système d'alignement automatisé pour le trajectographe interne. Cet alignement dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) se réactualisera lors de chaque cycle d'exploitation du LHC, en corrigeant de façon appropriée les données enregistrées par ATLAS. De nouvelles constantes d'alignement sont calculées toutes les 20 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée...) au cours de la première heure d'acquisition de données, puis toutes les 100 minutes.

Cette technique d'alignement innovante a permis aux physiciens d'ATLAS de continuer à enregistrer des données avec une précision inégalée tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long de la deuxième période d'exploitation. Les physiciens préparent à présent le trajectographe interne pour la prochaine étape: la troisième exploitation du LHC, dont le démarrage est prévu début 2022.
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