ATLAS (détecteur) - Définition

Introduction

Le détecteur ATLAS vers la fin février 2006

ATLAS (acronyme de A Toroidal LHC ApparatuS : - dispositif instrumental toroïdal pour le LHC - qui utilise un électro-aimant toroïdal où le champ magnétique se referme sur lui-même dans l'air, sans l'aide d'un retour de fer) est l'une des 5 expériences du collisionneur LHC au CERN. Il s'agit d'un détecteur de particules semblable à CMS, mais de plus grande taille et de conception différente. Il aura pour tâche de détecter le boson de Higgs, des particules supersymétriques (SUSY). Ces dernières sont prédites par des théories mais n'ont pas été détectées expérimentalement à ce jour.

En novembre 2007, ce super détecteur a fait l'objet d'essais intensifs et de simulations et son fonctionnement dépend de la mise en route des faisceaux du LHC. Les premiers faisceaux ont été injectés dans le LHC fin 2009.

Description

Structure cylindrique en pelure d'oignon

Il a la forme d'un cylindre de 22 mètres de diamètre pour environ 40 mètres de longueur, et un poids de 7 000 tonnes. Il est axé sur la ligne des faisceaux qui la traversent de part en part. La structure solénoïdale doit recouvrir la région dans laquelle les particules sont émises. Le cylindre présente des couches superposées à partir du point de collision. Sur la photographie ci-contre, on distingue les 8 électro-aimants supra-conducteurs disposés en « tranches » autour de l'axe central : ils sont refroidis à 1,9 K par de l'hélium liquide superfluide et destinés à créer un champ magnétique toroïdal de plus de 8 teslas. L'énergie stockée dans ce champ suffirait à faire fondre 50 tonnes de cuivre. Chaque élément de ce détecteur est muni de capteurs très sensibles, pour pouvoir en ajuster l'emplacement à moins de 5 microns près.

Le détecteur est à 80 mètres sous terre, au point 1 du LHC. La salle d'ATLAS a une hauteur de 40 mètres, une longueur de 55 mètres et une largeur de 35 mètres, et 11 000 tonnes de béton ont servi à consolider la voûte. Les communications avec la surface se font au moyen de 2 puits verticaux de 80 mètres de profondeur.

ATLAS est un puzzle technologique géant, constitué essentiellement de 4 couches concentriques (calorimètres) :

• Détecteur interne : c'est un détecteur de traces (trajectographe) en silicium, destiné à suivre le passage des particules dès leur formation ; il est cylindrique et structuré en pelure d'oignon associé à un électro-aimant solénoïdal interne supraconducteur de 2 mètres de diamètre qui crée un champ de 2 teslas (20 000 gauss) et nécessite un courant de 7 600 ampères. La bobine de l'électro-aimant et le calorimètre sont refroidis par le même cryostat. Il est composé, au centre, d'un détecteur à pixels qui s'étage sur trois couches positionnées à 5,9 et 12 cm de l'axe. Puis le SCT (semiconductor tracker) composé de quatre tonneaux concentriques de deux couches chacun, à 30 et 52 cm des faisceaux, représentant 4 088 modules de silicium sur 60 m². Enfin le TRT (transition radiation tacker) qui est un ensemble de 50 000 pailles de 4 mm de diamètre, entre 56 et 107 cm de l'axe.

• Calorimètre électromagnétique : un détecteur de particules électromagnétiques à échantillonnage. Structure en « mille feuilles » et « en accordéon » de plomb (70 tonnes) et d'argon liquide (45 m³). Il forme un tonneau cylindrique de 6,8 m de longueur, avec un rayon interne de 1,15 m et un rayon externe de 2,25 m.

• Calorimètre hadronique : c'est un détecteur de hadrons, particules qui ne sont pas arrêtés par les premiers détecteurs ; de structure cylindrique aussi et pesant 700 tonnes. Son rayon interne est de 2,3 mètres, son rayon externe de 4,2 mètres. La partie centrale est formée de 64 modules trapézoïdaux composés de 600 000 plaques de fer de 6 mm d'épaisseur et de 3 mètres de longueur (élément absorbant) et de 400 000 tuiles de scintillateurs en polystyrène transparent de 3 mm d'épaisseur (élément actif). Ces éléments sont perpendiculaires aux faisceaux. La lumière engendrée est proportionnelle à l'énergie déposée par les hadrons dans le scintillateur.

• Un détecteur de muons (à peu près les seules particules à l'atteindre, avec les neutrinos, les autres étant stoppées par les détecteurs intérieurs) : construit autour d'un électro-aimant supraconducteur externe composé de 8 modules de tores rectangulaires disposés en étoile. Ils font 25 mètres de long pour les parties les plus externes. Les huit toroïdes engendrent un champ cylindrique qui parcourt l'espace magnétisé en boucle autour de la partie centrale. Les bobines supraconductrices sont maintenues à -268 ℃. Le courant qui les parcourt est de 20 000 ampères. Ce détecteur externe est composé de chambres à muons qui utilisent la technique des pailles comme le TRT et couvrent 10 000 m². En octobre 2007 les huit roues à muons sont en place. Elles font 25 mètres de diamètre et pèsent entre 40 et 50 tonnes. Elles supportent chacune 80 chambres de précision ou 200 chambres de déclenchement. Il reste à installer deux roues plus petites et les chambres des extrémités.

• Les neutrinos ne sont pas détectés mais on peut calculer leur fuite en mesurant l'énergie manquante dans les événements reconstruits en comparant la somme des impulsions des différentes particules à l'énergie totale fournie par la collision (principe de la conservation de l'énergie).

Traversée des particules