Expérience ATLAS  
 
Participation du LAPP Collaboration Dates Clés  

ATLAS is one of the two general purpose detectors accepted to study proton-proton collisions at 14 TeV at the large hadron collider to be built in the LEP tunnel at CERN. One main feature of this detector is a very fine grain liquid argon electromagnetic calorimeter specially suited for the search of the Higgs boson decays. Our laboratory, which has a great expertise in electromagnetic calorimeter, is deeply involved in building this calorimeter as well as its electronics.  

LE DETECTEUR ATLAS

Le principe de base de la physique expérimentale au LHC est l'identification et la mesure des paramètres cinématiques des électrons, photons, muons, jets et énergie transverse manquante dans un environnement hadronique très dense. La collaboration ATLAS a ainsi conçu son détecteur autour de deux choix vitaux pour la physique : un grand aimant à champ toroidal pour reconstruire avec précision l'impulsion des muons et un calorimètre électromagnétique à argon liquide pour identifier et reconstruire les paramètres cinématiques des photons et électrons. Ces appareillages sont complétés par un détecteur de traces qui utilise des technologies adaptées à l'environnement du LHC et un calorimètre hadronique, sandwich de fer et de scintillateur, pour mesurer l'énergie des hadrons et filtrer les muons.

La plupart des laboratoires français se sont regroupés dans ATLAS sur la construction du calorimètre électromagnétique à argon liquide. Les avantages de cette technique de calorimétrie sont aujourd'hui bien connus : possibilité de construire un détecteur uniforme, stable dans le temps, minimisant les zones mortes, qui s'étalonne facilement et qui possède une grande résistance aux radiations. Cela s'est concrétisé dans la collaboration ATLAS par le choix d'une géométrie accordéon et d'une électronique de lecture qui permettent de lire rapidement les signaux et de conserver un niveau de bruit électronique acceptable pour la physique.

PARTICIPATION DU LABORATOIRE A ATLAS

Le laboratoire s'est largement impliqué dans la partie tonneau du calorimètre électromagnétique ainsi que dans l'électronique de lecture de l'ensemble du calorimètre. La conception finale de la mécanique s'achève aujourd'hui par la fabrication d'un premier module prototype (1/16 de demi-tonneau) en vraie grandeur pour valider les choix techniques et pouvoir démarrer la construction de l'ensemble. Le LAPP a participé aux aspects clés de cette phase de conception qui repose sur des études de simulation de processus de physique en partie réalisées au laboratoire.

 

 
Le détecteur ATLAS
 
Les activités du groupe sont réparties dans les domaines suivants :

1) SIMULATION DE PROCESSUS PHYSIQUES

L'équipe ATLAS du laboratoire a décidé de se concentrer sur la recherche du boson de Higgs, dans différents modes de désintégrations : , , et  H  en production associée.

Un premier travail a concerné l'étalonnage du calorimètre in situ en utilisant les événements  produits au taux d'un par seconde à haute luminosité. Il a été montré que ces événements permettent l'étalonnage spatial (en et ) du calorimètre avec la précision requise pour la recherche du boson de Higgs dans le canal .

Une étude complète de la réaction  a été menée dans le cadre d'une simulation détaillée du détecteur (détecteur de traces, calorimètres et toroide à muons). Elle a permis de montrer la faisabilité de la découverte du boson de Higgs de masse supérieure à 120 GeV/c2, tant dans le cadre du modèle standard que dans celui du modèle supersymétrique minimal.

Enfin, un travail en cours étudie la potentialité d'observation du boson de Higgs et de la mesure de sa masse dans la région 80-120 GeV/c2 avec la production associée  où . La présence d'un lepton (électron ou muon) de grand moment transverse provenant de la (des) particules(s) produite(s) avec le boson de Higgs détermine la position précise du vertex de l'interaction, réduisant ainsi la contribution angulaire dans l'incertitude sur la mesure de la masse. Une vingtaine d'événements est attendue par année de prises de données en régime de haute luminosité de l'accélérateur, pour une masse du boson de Higgs de 100 GeV/c2. La confirmation de la faible contribution des nombreux bruits de fond (,,,, d'une manière générale tout processus menant à l'état final +lepton+X) est en cours, compte tenu des pouvoirs de réjection des jets prévus pour le détecteur.

2) CONCEPTION ET PLIAGE DES ELECTRODES

Après avoir construit et testé en faisceau au CERN les prototypes d'électrodes dites UV (en vue stéréo) pour collecter les signaux, la collaboration s'est orientée vers le choix d'électrodes de grande taille (environ 1,8 m par 0,75 m) composées de cinq couches alternées de cuivre et kapton. Grâce aux études de physique liées à la recherche du boson de Higgs, la segmentation du calorimètre d'ATLAS a pu être fixée : des fines cellules à l'avant pour séparer efficacement les photons uniques des photons provenant des 0, un second compartiment collectant l'essentiel de la gerbe, et un troisième servant de véto hadronique et de complément au second pour les gerbes très énergiques.

Le laboratoire s'est engagé dans la réalisation de ces grandes électrodes pliées en accordéon. La difficulté de la réalisation réside dans le choix de matériaux capables d'être mis en oeuvre de façon homogène sur de grandes dimensions. Ce choix étant fait, il a fallu concevoir et réaliser une machine à plier pneumatique (figure 2). Son montage et son réglage viennent de montrer des résultats très satisfaisants sur les premiers exemplaires d'électrodes produites. Après pliage, un cycle de chauffage à 140oC est prévu pour relâcher les contraintes de pliage. Un four vient d'être acquis à cet effet. Enfin, le laboratoire s'est engagé dans le pliage des 4096 demi-électrodes du calorimètre central.

3) MECANIQUE, ASSEMBLAGE, CABLAGE ET TESTS DU CALORIMETRE CENTRAL

Les contributions retenues par le laboratoire forment un ensemble cohérent qui présente l'intérêt de fournir une maîtrise d'ensemble. Ceci est particulièrement important quand on connaît les grandes précisions et stabilité requises pour le calorimètre. Dans le but de bien contrôler l'impact de l'assemblage mécanique sur la résolution de ce détecteur, le groupe a apporté son concours sur les problèmes suivants de construction :

a) Anneaux externes et internes supportant le calorimètre central

Le support des modules calorimétriques assemblés en deux demi-tonneaux de soixante tonnes chacun est réalisé par quatorze anneaux externes et seize internes dans lesquels sont vissés ces modules. Ces anneaux doivent satisfaire de nombreuses contraintes : stabilité à la température de l'argon liquide, faible flèche due au poids de l'ensemble, place réduite disponible, choix de matériaux résistants aux radiations. Le laboratoire a complètement mis au point ces anneaux, composés chacun de seize arceaux. De nombreux tests cryogéniques ont été réalisés pour choisir les matériaux. Un anneau externe prototype a été construit puis entièrement mesuré, aussi bien arceau par arceau,grâce à une machine de métrologie en trois dimensions, qu'entièrement monté. Un bâti d'étude des déformations et contraintes a été dessiné et monté au LAPP (figure 3). Sur ce dernier, l'anneau prototype a été étudié. Les tests effectués ont montré un comportement mécanique complètement satisfaisant au regard des exigences demandées pour la physique. La commande des quatorze anneaux devrait être passée prochainement et chacun d'eux sera mesuré puis étudié sur le bâti décrit ci-dessus. Parallèlement les arceaux internes en matériaux légers composites ont été conçus et dessinés. La place réduite à l'avant du calorimètre et une faible quantité de matière sont les contraintes principales. Des essais de traction ont actuellement lieu pour valider les premiers prototypes.

b) Bâti d'assemblage des modules

Soixante-quatre plaques absorbeurs et le même nombre d'électrodes, séparées par des espaceurs à structure en nids d'abeille, forment un module de calorimètre. Leur assemblage constitue une opération mécaniquement délicate ou chaque élément doit être positionné avec grand soin, propreté et précision. Un bâti a été complètement étudié au laboratoire qui permet cette opération (figure 1). Chaque absorbeur sera vissé sur les arceaux externes, l'un après l'autre, et sa position individuelle sera contr⊚lée par des gabarits spéciaux conçus à cet effet. Dès qu'un nouvel ensemble absorbeur-espaceur-électrode-espaceur-absorbeur sera constitué on testera alors sa tenue à la haute tension et on mesurera avec précision les épaisseurs par l'intermédiaire de la mesure des capacités des cellules groupées par secteurs. Des études menées au laboratoire ont montré la faisabilité d'un telle mesure grâce à un signal très basse fréquence qui permettra en outre de vérifier la continuité électrique des circuits. L'ensemble de la connectique et le banc de test nécessaires à une telle opération est également le fruit du travail de l'équipe du LAPP.

c) Câblage et tests à chaud et à froid des modules

Une maquette à l'échelle 1 du projet final de module a permis de mesurer la longueur des câbles nécessaires et de proposer des solutions de fixation des connecteurs (patch-panels) et de protection des câbles. Un scénario de câblage a également pu être élaboré. Une fois câblé, le module sera connecté à un banc de test pour vérifier l'intégrité électrique des circuits et effectuer diverses mesures (capacités). Le laboratoire participe à l'étude des performances et à l'élaboration de ce banc de test. Les mêmes tests seront répétés à la température de l'argon liquide pour valider le module dans ses conditions normales de fonctionnement. Un cryostat sera installé à cet effet dans le hall de mécanique pour tester la moitié des modules du calorimètre central, l'autre moitié étant testée par le groupe de Saclay.

d) Aménagement de nouveaux locaux

Les engagements du laboratoire en matière de production des modules du calorimètre central ont amené à la réorganisation des locaux de l'atelier de mécanique. Une plate-forme a été construite pour augmenter la surface utile, la partie inférieure étant munie d'un pont roulant. Les deux salles ainsi obtenues ont été équipées pour obtenir un niveau suffisant de propreté (salles grises) satisfaisant aux critères nécessaires au montage du calorimètre. Elles serviront au pliage des électrodes et à l'assemblage des modules.

4) ELECTRONIQUE DE LECTURE ET DE TRAITEMENT DU SIGNAL

Les buts de physique au LHC conduisent à des conditions contraignantes : collisions toutes les 25 ns, empilement inévitable d'événements hadroniques dit de biais minimal (23 par collisions en moyenne) causant ainsi un bruit de fond physique irréductible, un taux moyen de déclenchement de premier niveau de 75 kHz et une dynamique voisine de 50000 pour chaque canal. Le LAPP a contribué aux sujets suivants :

a) Choix des gains et mise en forme

La longue durée nécessaire à la collection complète des charges dans l'argon liquide (environ 400ns) et le taux rapide de croisement des paquets (25ns) a conduit à choisir une mise en forme rapide du signal. Ce dernier est échantillonné à 40 MHz et cinq échantillons du signal sont sélectionnés pour reconstruire l'énergie déposée dans la cellule ainsi que le temps d'arrivée de la gerbe. Les estimateurs de ces deux quantités sont déterminés dans la recherche d'un filtrage optimal. Dans ce cadre, il a été montré qu'une électronique chaude (hors du cryostat) était possible sans dégradation de la qualité du signal de physique. Elle est préférable à une électronique froide par nature inaccessible. Ensuite le meilleur choix de gains a été trouvé être 3 gains dans des rapports voisins de 1:10:100.

b) Filtrage digital des signaux

Le laboratoire a construit une carte (MUSIP) pour réaliser le filtrage optimal en temps réel à l'aide de filtres numériques. Une campagne de tests (juin-juillet 1996) a validé cette technique désormais choisie par la collaboration. Cette carte doit maintenant être remplacée par un système de DSP (Digital Signal Processor) appelé carte ROD. Son rôle est de recevoir les données venant des cartes électroniques avec un débit de 32 bits à 40 MHz. Une collaboration avec le laboratoire de Marseille s'est engagée et une première carte de mémoires rapides pour stocker l'information a été réalisée. Elle sera utilisée dans la prochaine campagne de tests en faisceau au CERN. Parallèlement commence une phase de recherche et développement de DSP adapté aux calculs de physique qu'on veut y effectuer.

5) CARTE ELECTRONIQUE D'ETALONNAGE

L'étalonnage in situ dans la partie froide (c'est-à-dire l'injection d'une impulsion d'étalonnage le plus près possible de la cellule physique dans le cryostat) du calorimètre à argon liquide est un point clé de sa réussite pour atteindre les performances nécessaires à la physique. Une impulsion de forme exponentielle décroissante est injectée au niveau des cartes mères pour simuler un signal de physique. L'amplitude de cette impulsion doit être connue avec une grande précision. Une carte au format quasi définitif a été réalisée en collaboration avec le LAL (figure 4). Elle comporte 128 circuits générant de telles impulsions et entièrement programmable (circuits ALTERA). Le laboratoire a eu la charge de réaliser entièrement la partie digitale de commande de cette carte. En test au laboratoire, cette carte a montré des résultats très satisfaisants et a déjà été utilisée au CERN lors d'une période de faisceau où elle a été connectée au système d'acquisition.

6) PARTICIPATION AUX CAMPAGNES DE FAISCEAU TEST

Si de nombreuses périodes de faisceaux ont permis jusqu'à présent de valider les techniques étudiées au laboratoire et décrites plus hauts, le but de la communauté argon liquide d'ATLAS est à présent de tester en faisceau le premier module prototype en vrai grandeur du calorimètre électromagnétique central, ce qui permettra de valider l'ensemble des choix effectués. Puis lors de la phase de production des modules, un certains nombre d'entre eux seront systématiquement contrôlés en faisceau. Le LAPP compte s'impliquer activement dans ces campagnes de tests, en particulier dans les domaines touchant ses réalisations électroniques : étalonnage, contrôle des données et calcul rapide pour le filtrage optimal.
 

RAPPORTS
- ATLAS Liquid Argon Calorimeter Design Report, CERN/LHCC/96-40 15 Décembre 1996
- ATLAS Calorimeter performance, CERN/LHCC/96-40 15 Décembre 1996
- ATLAS Computing Technical Proposal, CERN/LHCC 96-43 15 Décembre 1996

STAGES JANUS
- Etude des taux d'événements auprès du collisionneur LHC du CERN
    Céline Lacombe, été 1996.
- Etude des propriétés électriques du calorimètre à argon liquide de l'expérience ATLAS
    Marie-Laure Delsante, été 1997.

 
 

 Fig. 1 : Dessin du bâti  d'assemblage des modules du calorimètre, mise au point au LAPP.
 
 

 

 
Fig. 2 : Machine à plier les électrodes mise au point au LAPP
Vues avant et après pliage
 
 

 

 
Fig. 3 : Arceau externe, support du calorimètre, monté sur le bâti de déformation pour l'étude de sa résistance.
 
 

 

 
Fig. 4 : Carte électronique d'étalonnage du calorimètre à argon liquide.