C’est lumineux !

Le lundi 26 janvier, CMS a installé l’un des éléments finaux de son puzzle compliqué : le nouveau télescope à luminosité à pixels (PLT). Cet instrument améliorera les mesures de luminosité de l’expérience, en enregistrant la luminosité paquet par paquet au point de collision de CMS pour livrer des mesures de haute précision de la luminosité intégrée.

 

Installation du PLT, au cœur de l’expérience CMS.

Quelle que soit l’analyse réalisée, il y a un facteur que tout expérimentateur doit connaître parfaitement : la luminosité. Les barres d'erreur dans ce domaine peuvent confirmer ou démolir un résultat ; c'est pourquoi il est vital de mesurer la luminosité de façon précise. La collaboration CMS a donc demandé à l’équipe du projet BRIL (Instrumentation de faisceau, rayonnement et luminosité) de mettre au point un nouveau détecteur qui mesurera la luminosité pour la deuxième exploitation. 

« Au cours de la première exploitation, nos premières mesures de luminosité en temps réel venaient du calorimètre hadronique à petits angles ; nous les comparions à la mesure de luminosité en différé au moyen du détecteur à pixels, explique Anne Dabrowski, coordinatrice technique et chef adjointe du projet BRIL (CERN). Mais avec des luminosités de plus en plus élevées et davantage d’empilements lors de la deuxième exploitation, il devient plus difficile d'effectuer les mesures. » C’est là qu’intervient le PLT. Conçu dans la perspective de la deuxième période d’exploitation du LHC, le PLT utilise des capteurs à pixels résistants aux rayonnements pour donner des mesures pratiquement instantanées de la luminosité par paquet, ce qui aide les opérateurs du LHC à apporter le maximum de luminosité utile à CMS. Le PLT est sans connexion au système de déclenchement de CMS ; sa fréquence de lecture est de 40 MHz (toutes les 25 ns) sans temps mort.

L’équipe BRIL inclut des collaborateurs du CERN, d'Allemagne, de Nouvelle-Zélande, des États-Unis, d'Italie et de la Fédération de Russie.

La recherche-développement sur le PLT a commencé il y a dix ans ; au départ, on a envisagé des diamants pour les plans du télescope à pixel. Un PLT prototype a même été installé le long de la ligne de faisceau du LHC au cours de la période d’exploitation 1. « Des capteurs en diamant auraient été un excellent choix, car il n'aurait pas été nécessaire de les faire fonctionner à basse température pour avoir une perte de signal acceptable », explique David Stickland, chef du projet BRIL (Université de Princeton). Toutefois, même s’il existe un potentiel pour un PLT en diamant, les résultats du prototype ont conduit l’équipe à utiliser un matériau plus éprouvé et plus fiable : le silicium.

Toutefois, cette décision pratique devait soulever de nouvelles questions pour l’équipe BRIL : « Là, on s’est rendu compte que la chaleur était un vrai problème, explique Anne. Pour avoir un bon signal à partir de capteurs en silicium, nous devions faire baisser la température dans les télescopes. » Juste 18 mois avant l’installation, l’équipe BRIL a dû reprendre sa planche à dessin pour essayer de concevoir une structure de refroidissement pouvant tenir dans un espace déjà très contraint.

Le PLT est constitué de deux rangées de huit télescopes à petits angles situées de part et d’autre du point d’interaction de CMS. Chaque télescope est positionné à 1 cm seulement du tube de faisceau de CMS, où il utilise trois plans de capteurs à pixels pour effectuer des mesures distinctes de la luminosité. (Image : A. Rao)

« Nous avons réussi grâce à l’ingéniosité du bureau d’intégration d’ingénierie de CMS et aux ingénieurs de PH-DT, en particulier Robert Loos, explique David. Celui-ci a conçu une extraordinaire structure de refroidissement réalisée par impression 3-D dans un alliage de titane, en recourant à la technique de fusion laser sélective (SLM) afin de faire "croître" la structure de refroidissement dont nous avions besoin. » Malgré un diamètre interne des canaux de refroidissement inférieur à 3 mm, la structure de refroidissement peut effectuer des tournants à angle droit sans difficulté et supporter une pression pouvant aller jusqu’à 15 bars. « La structure est incroyablement robuste, légère et compacte. Je ne sais pas comment on aurait fait sans cette technique », ajoute David.

Ce n’est là qu’un exemple de la conception innovante mise en œuvre par l’équipe BRIL. C’est pourquoi, même si l’installation du télescope est achevée, nous serons amenés à reparler de leurs travaux. Vous en saurez plus en lisant le prochain numéro du Bulletin...

par Katarina Anthony