Avec le relèvement de la luminosité du LHC (HL-LHC), le nombre de collisions dans l'expérience ATLAS va augmenter de manière spectaculaire. Ce taux de collision élevé, qui permettra aux physiciens d'explorer certains processus très rares, est cependant synonyme de nouveaux défis : en particulier, des niveaux de rayonnement plus élevés et un volume de données nettement supérieur. La collaboration ATLAS s'adapte à ces nouveaux défis en améliorant toutes les parties de ses détecteurs, lesquels seront dotés d'instruments de pointe.
« Les nouvelles petites roues (détecteurs NSW) du spectromètre à muons sont les premiers détecteurs nouvellement installés dans ATLAS qui sont spécifiquement conçus pour réagir à des conditions de haute luminosité », explique le porte-parole d'ATLAS, Andreas Hoecker. «L'installation du deuxième et dernier détecteur NSW fait suite à près d'une décennie d'efforts des membres de la collaboration ATLAS, qui ont conçu, construit et assemblé à partir de zéro ce détecteur de muons très perfectionné. »
Des technologies de pointe
Le système NSW d'ATLAS est constitué de deux détecteurs en forme de roue, placés aux extrémités opposées de la caverne de l’expérience. Chaque roue - on parle de roue par analogie avec les « grandes roues » de 25 m d'ATLAS - pèse plus de 100 tonnes et mesure près de 10 m de diamètre.
Le plus important, ce n'est pas la dimension, mais bien la fonction. Sur le plan de leur conception, les détecteurs NSW sont des systèmes de pointe. Ils utilisent deux technologies innovantes en matière de détection en milieu gazeux : les chambres Micromegas (MM) et les chambres à petites bandes et à intervalles fins (sTGC). Ces deux instruments présentent des capacités de repérage rapide et précis des muons. « La résolution spatiale et temporelle améliorée que permet le détecteur NSW sera particulièrement critique pour le système de déclenchement d’ATLAS, qui décide quels événements de collision doivent être conservés et quels événements doivent être laissés de côté. Le système de déclenchement exploitera l'excellente résolution du système NSW pour confirmer si une particule provient du point d'interaction, ce qui réduit nos risques de sauvegarder des données issues du bruit de fond », précise Mario Antonelli, chef du projet Amélioration de phase 1 NSW.
Les capacités de lecture de l'ensemble du système sont impressionnantes : deux millions de canaux de lecture MM et 350 000 canaux de lecture électroniques sTGC. Chaque roue compte 16 secteurs, chacun contenant deux couches de chambres MM et sTGC, avec quatre plans de mesure par chambre, ce qui assure une redondance utile lorsque les physiciens traquent la trace d'un muon à travers les détecteurs.
La danse des détecteurs
Les détecteurs NSW ont accompli leur descente dans la caverne en 2021 ; mais ce n'était pas leur premier voyage. « Le projet NSW était multinational ; des membres de l'ensemble de la collaboration d'ATLAS qui ont contribué à la construction et à la conception », explique Philipp Fleischmann, chef de projet pour le système à muons d'ATLAS.
Une fois les roues originelles déclarées officiellement hors service, la roue A a été amenée du bâtiment 191 au hall de surface d'ATLAS le 6 juillet, avant d'être descendue, six jours plus tard, dans la caverne, où elle a pris place entre le cryostat du bouchon du calorimètre et les aimants toroïdaux du bouchon. La séquence s'est répétée pour la roue C quatre mois plus tard, lors de sa descente dans la caverne d'ATLAS le 4 novembre.
« L'équipe a réussi à faire avancer le projet malgré la pandémie et la disparition tragique de la responsable du projet, Stephanie Zimmermann ; cela montre leur grand talent et engagement », souligne Ludovico Pontecorvo, coordinateur technique d'ATLAS.
De nouvelles roues
Les détecteurs NSW seront essentiels pour la prise de données de la troisième période d'exploitation, qui verra une augmentation modérée de la luminosité du LHC. En attendant de voir les roues en action, la collaboration ATLAS centre ses efforts sur les prochaines grandes améliorations de l'expérience. « Le prochain long arrêt du LHC (le LS3, prévu pour 2025) sera le dernier avant l'entrée en service du HL-LHC », rappelle Francesco Lanni, coordinateur des améliorations pour ATLAS. « Nous avons beaucoup à faire dans les années qui viennent, y compris la construction et l'assemblage d'un trajectographe interne entièrement nouveau. Mais avec chaque nouvelle amélioration, nous nous approchons du prochain épisode de la physique au LHC et des découvertes extraordinaires qu'il nous réserve. »
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Stephanie Zimmermann, physicienne à ATLAS, a joué, en tant que responsable de projet, un rôle essentiel dans le développement du détecteur NSW. Son décès soudain en novembre 2020 a laissé un grand vide dans l'équipe NSW, qui est une communauté soudée. En hommage à Stephanie, et pour honorer le vœu qu'elle avait émis de voir le détecteur NSW en place, une photo d'elle a été fixée à la roue A au moment de sa descente dans la caverne.
Une nécrologie complète de Stephanie Zimmermann a été publiée dans le Bulletin et dans CERN Courier.
Pour plus en savoir plus :
Wheels in motion for ATLAS upgrade, CERN Courier, octobre 2021
First ATLAS New Small Wheel nears completion, ATLAS News, juin 2021
Visionnez en 360 ° la descente du détecteur NWS dans la caverne, juillet 2021
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Voir l'article à ce sujet sur le site web de l'expérience ATLAS (en anglais).