Métamorphose de LHCb: le menu des deux prochaines années
Publié par Adrien le 06/02/2019 à 08:00
Source: CERN
Le détecteur LHCb subira des transformations pendant le deuxième long arrêt des accélérateurs du CERN (LS2)

Pendant les deux années à venir, au cours du deuxième long arrêt (LS2), période de maintenance et d'amélioration des installations du CERN, l'expérience LHCb va bénéficier d'une importante transformation. Lorsque le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons redémarrera, en 2021, le rythme des collisions proton-proton au coeur de l'expérience LHCb sera multiplié par cinq ; la collaboration améliore donc son détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour...) pour qu'il soit prêt à y faire face.

L'expérience LHCb tente de résoudre un mystère: la raison pour laquelle la nature a une préférence pour la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) plutôt que pour l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- »...). De petites asymétries entre les deux pourraient expliquer pourquoi, après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que...), c'est la matière et non pas l'antimatière qui a prévalu. Plus précisément, LHCb traque les quarks b, qui existaient en grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) pendant les premiers instants de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), et qui peuvent être produits par milliards par le LHC, ainsi que les antiparticules correspondantes, les antiquarks b.

Quarante, c'est mieux qu'un

Étant donné que plusieurs millions de collisions de protons ont lieu chaque 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 mesure du...) dans le LHC, un système de déclenchement du détecteur doit déterminer quelles 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.) il importe de conserver et lesquelles peuvent être ignorées.

À l'intérieur de l'anneau du LHC, les paquets de protons forment deux faisceaux, qui circulent à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) opposés. Les faisceaux se croisent au centre des détecteurs une fois toutes les 25 nanosecondes, ce qui correspond à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...) de 40 Mhz (c'est-à-dire qu'ils se croisent 40 millions de fois par seconde). Les années précédentes, LHCb filtrait ce "rythme d'événements" jusqu'à la réduire à 1 Mhz, en utilisant des systèmes électroniques rapides pour sélectionner les événements les plus intéressants qui étaient ensuite traités et filtrés. Mais à partir de 2021, la donne va radicalement changer: le détecteur dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) observera la totalité des événements afin de permettre aux logiciels de réaliser la sélection avec davantage de précision et de flexibilité. Pour cette raison, les systèmes électroniques de pratiquement tous les sous-détecteurs seront modifiés et la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul du système de sélection des événements (système de déclenchement) de LHCb augmentera.

Les données seront alors transmises, au rythme effréné de 4 téraoctets par seconde et via quelque 9 000 fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optiques de 300 m de long, directement depuis les éléments électroniques du détecteur, dans le hall souterrain, vers un nouveau centre informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des...) dont la construction est bientôt achevée. Là, environ 500 cartes électroniques puissantes conçues sur mesure recevront les données et les transmettront à des milliers de coeurs de processeurs.


Certaines des nombreuses améliorations de LHCb qui auront lieu pendant le LS2.

Un VELO plus rapide

Le localisateur de vertex (VELO) est le sous-détecteur qui mesure la distance entre le point (Graphie) de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) et le point où les hadrons B (des particules composites contenant au moins un quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la...) b ou un antiquark b) se transforment en d'autres particules. C'est l'un des éléments essentiels qui sera amélioré pendant le LS2. Le nouveau détecteur VELO comprendra des couches de trajectographes à pixels, lesquelles permettent une meilleure résolution des impacts et une reconstitution plus simple des traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la...). Il sera en outre placé plus près de l'axe du faisceau: à une distance de de 5,1 mm, au lieu de 8,4 mm auparavant. Une nouvelle puce, appelée VELOPIX et capable d'enregistrer les signaux provenant de 256x256 pixels ainsi que d'envoyer des données au taux impressionnant de 20 Gb/s, a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) dans ce but.

Miroir, miroir, dis-moi...

Les détecteurs Chérenkov à focalisation annulaire (RICH), qui déterminent l'identité des particules, seront équipés d'un nouveau système de miroirs. Ces miroirs sont nécessaires pour dévier, focaliser et détecter les cônes de lumière émis par les particules qui traversent un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une dimension...) présentant des densités de particules beaucoup plus élevées.

Capteurs à microbandes de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) et trajectographe à fibres scintillantes

Actuellement, le système de trajectographie principal utilise quatre stations de trajectographie pour reconstituer 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.) des particules chargées: une entre RICH-1 et l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés...) dipolaire de LHCb, et trois entre l'aimant et RICH-2. À l'avenir, un nouveau trajectographe situé en amont (UT), équipé de capteurs à microbandes de silicium innovantes, sera installé à la place de la station actuellement en amont de l'aimant. Les trois stations de trajectographie situées en aval de l'aimant seront remplacées par un nouveau type de station utilisant des fibres scintillantes (SciFi), avec un système de lecture, à une extrémité, utilisant des séries de photomultiplicateurs au silicium (SiPM).

L'installation du trajectographe SciFi constitue un défi important pour la collaboration, non seulement en raison de sa complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri...), mais également parce que cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) n'a jamais été utilisée sur une zone aussi étendue et dans un environnement soumis à un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) aussi important. Les scientifiques ont commandé plus de 11 000 km de fibres, qu'ils ont méticuleusement contrôlées et sur lesquelles ils ont même réparé quelques rares imperfections locales.


Le retrait du tube de faisceau de l'expérience LHCb, début janvier 2019. (Image: Julien Ordan/CERN)

Avec la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) plus importante qui est prévue, et grâce à une capacité largement plus grande de choisir les événements les plus intéressants, l'expérience LHCb devrait, après sa transformation, nous permettre d'envisager des résultats sans précédent pour l'avenir.
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