Calorimètre

Le calorimètre est une composante majeure du détecteur ATLAS. Il permet de mesurer l’énergie des électrons, des photons et des hadrons produits lors des collisions pp. Ces par- ticules déposent toute leur énergie dans le calorimètre en formant une gerbe de particules secondaires, de type électromagnétique pour les photons et électron ou hadronique pour les hadrons. Le calorimètre est divisé en une partie électromagnétique, dont l’objectif principal

est de fournir une mesure précise de l’énergie des photons et des électrons, et d’une partie hadronique, qui récupère l’énergie des hadrons n’ayant pas été absorbée en amont dans le calorimètre électromagnétique. Le calorimètre mesure également l’énergie transverse man- quante, utilisée pour déduire la production de neutrinos, et participe à l’identification des électrons et des photons dans un environnement hadronique.

L’hermiticité est une caractéristique essentielle du calorimètre. D’une part, la profondeur du calorimètre, d’un minimum de 10 longueur d’interaction (λ), est suffisante pour contenir complètement l’énergie des hadrons produits au LHC. D’autre part, son extension en pseudo- rapidité jusqu’à |η| = 4.9 lui permet de couvrir un grand angle solide afin de capturer la majorité des particules provenant des collisions d’intérêt. L’hermiticité du calorimètre garantit de bonnes résolutions sur l’énergie transverse manquante et sur l’énergie des jets (cf. Section 3.5) jusqu’à des échelles d’énergie de l’ordre du TeV, et permet de protéger le spectromètre à muon (cf. Section 2.2.3) d’une contamination provenant de hadrons.

Deux technologies sont utilisées pour former le calorimètre d’ATLAS. On distingue les calorimètres à argon liquide (LAr), qui sont les plus proches du faisceau avec un rayon inférieur à r = 2 m (en jaune sur la Figure 2.7), et le calorimètre à tuile (Tile) qui entoure les calorimètres LAr à partir d’un rayon r = 2.4 m (en gris sur la Figure 2.7). Le calorimètre LAr et le calorimètre à tuile sont tout deux des calorimètres à échantillonnage. Le premier utilise de l’argon liquide comme milieu actif, choisi pour sa résistance aux radiations et sa réponse linéaire aux dépots d’énergie par ionisation. Le second est composés de fer jouant le rôle d’absorbeur et de tuiles scintillantes comme matériau actif.

Calorimètre à argon liquide

Le calorimètre à argon liquide est utilisé aussi bien comme calorimètre électromagnétique – couvrant un intervalle en pseudo-rapidité |η| < 3.2 – que comme calorimètre hadronique entre 1.4 < |η| < 3.9. La partie électromagnétique est formée d’un tonneau de ∆z = 6.4 m de long (LAr electromagnetic barrel) et de rayons interne et externe d’environ r = 1.5 et

r = 2.0 m respectivement. Deux roues sont situées de part et d’autre du tonneau, formant

les bouchons électromagnétiques (LAr electromagnetic endcap). Les bouchons sont renforcés avec une partie hadronique constituée de deux roues coaxiales dans chaque bouchon (LAr hadronic endcap). Le tonneau et les deux bouchons sont hébergés dans trois cryostats qui maintiennent l’argon à sa température nominale de 89 K. Les rayons externes des bouchons sont alignés avec celui du tonneau. A très haute rapidité, le détecteur le plus à l’avant (Forward) permet de récupérer l’énergie déposées par les particules dans la région 3.1 < |η| < 4.9 ; cette composante ne sera pas décrite dans cette partie.

L’absorbeur du calorimètre électromagnétique est composé d’une succession de plaques de plomb en forme d’accordéon assemblées radialement, schématisées Figure 2.8a. Le volume entre les plaques est rempli d’argon liquide. Il est divisé en deux par une couche d’électrodes de cuivre-kapton parallèle aux plaques de plomb voisines. Le champ électrique appliqué entre les électrodes et l’aborbeur entraîne une dérive des électrons ionisés dans l’argon liquide par le passage des particules chargées, induisant un courant dont l’amplitude est proportionnelle aux pertes d’énergies dans l’argon liquide. Les électrodes sont segmentées en cellules selon la profondeur en trois couches, et selon l’azimut φ et la pseudo-rapidité η.

Une segmentation du tonneau à |η| < 1.4 est présentée Figure 2.8b. Elle est suffisamment fine en (η, φ) pour mesurer le profil latéral des gerbes électromagnétiques. Le calorimètre électromagnétique est conçu de sorte à collecter la plus grande fraction de l’énergie déposée par la gerbe électromagnétique dans la deuxième couche (de profondeur 16X₀ à η = 0), tandis que la couche arrière avec la granularité la plus grossière ne recueille que la queue de la gerbe (de profondeur 2X0à η = 0). La granularité très fine en η de la couche avant permet

non seulement de mesurer précisemment la direction des gerbes mais aussi d’identifier les paires de photons collimées provenant de désintégrations de π0. La granularité angulaire des bouchons électromagnétiques décroît avec la pseudo-rapidité |η| mais garantit des mesures de précision jusqu’à |η| < 2.5.

La calibration en énergie du calorimètre à argon liquide découle de l’étalonnage du signal électronique résultant de l’énergie déposée par des gerbes électromagnétiques mesurées à partir de tests en faisceau, connue sous le nom d’échelle électromagnétique. La résolution du calorimètre électromagnétique à argon liquide obtenue à partir de faisceaux test d’électrons est de σ_E/E(π) = 10%/√E ⊕ 0.5%. Pour maintenir une réponse constante du calorimètre

tout au long des prises de données, la réponse de l’électronique de lecture est calibrée en injectant un signal imitant celui produit par les particules chargées dans l’argon liquide.

Le calorimètre hadronique à argon liquide utilise du cuivre comme absorbeur. Le cuivre est réparti en plaques plates et perpendiculaires aux faisceaux de protons, de ∆z = 25 mm

(a) (b)

Figure 2.8: (a) Vue dans un plan transverse d’une section du calorimètre du tonneau. (b) Schéma d’une coupe du calorimètre electromagnétique du tonneau, permettant de visualiser la granularité en (η, φ) de chacune des trois couches en profondeur.

d’épaisseur dans la première roue (située à environ 4m < |z| < 5m) de et ∆z = 50 mm d’épaisseur dans la seconde roue (5m < |z| < 6m). L’écart entre les plaques (∆z = 8.5mm) est rempli d’argon liquide (Figure 2.9a), et est divisé en quatre espaces de dérive par trois couches parallèles d’électrodes, dont la configuration empêche une trop importante accumu- lation d’ions. La segmentation du calorimètre en cellules permet d’obtenir une granularité en (η, φ) de 0.1 × 0.1 pour 1.5 < |η| < 2.5 et de 0.2 × 0.2 pour 2.5 < |η| < 3.2 (Figure 2.9b). La résolution de l’énergie des jets du calorimètre hadronique à argon liquide, déterminée à l’aide de faisceaux test et de simulations, est d’environ σE/E(π) = 50%/

√

E ⊕ 3% [19].

Calorimètre à tuile

Le calorimètre à tuile est un calorimètre hadronique à échantillonage de forme cylin- drique qui entoure les calorimètres LAr. Il est divisé en trois sections selon la direction des faisceaux de protons comme illustré Figure 2.7 : un tonneau central de ∆z = 5.6 m de long (Tile barrel) prolongé de part et d’autre par deux extensions de ∆z = 2.9 m de lon- gueur chacune (Tile extended barrel), couvrant une région en pseudo-rapidité de |η| < 1.7. Chaque section est composée de 64 modules (Figure 2.10), chacun couvrant un angle azimu- tal ∆φ = 2π/64 = 0.1 [20]. Les modules sont constitués de couches alternées de plaques de fer et de scintillateurs en forme de tuile, ou tuiles scintillantes. L’agencement des couches permet d’obtenir une longueur d’interaction nucléaire λ = 20.7 cm sur la profondeur du calorimètre à tuile de ∆r = 1.6 m. Les tuiles scintillantes sont disposées dans le plan per- pendiculaire aux faisceaux de collision et sont orientées radialement, comme illustré sur la

(a) (b)

Figure 2.9: (a) Vue schématique d’un module du calorimètre hadronique à argon liquide. (b) Vue schématique d’un module du calorimètre selon r − φ (gauche) et de la structure du calorimètre selon r − z (droite) avec sa division en cellules. Les dimensions sont en mm.

Figure 2.10. Elles sont lues par des fibres à changement de longueur d’onde (wavelength- shifting fibres) des deux côtés de chaque module. Ces fibres guident la lumière jusqu’aux photo-multiplicateurs situés dans la structure de fer au niveau du rayon externe du calori- mètre, qui abrite également l’électronique frontale. Chaque paire de photo-multiplicateurs situés de part et d’autre du module rassemble plusieurs fibres pour former une cellule. Les cellules segmentent le calorimètre selon sa profondeur en trois couches, d’épaisseurs 1.5, 4.1 et 1.8 λ dans le tonneau central et 1.5, 2.6 et 3.3 λ dans ses extensions, et selon (η, φ) de 0.1 × 0.1 (0.2 × 0.1 pour la couche la plus profonde). La segmentation longitudinale est illustrée Figure 2.11. L’orientation innovante des tuiles du calorimètre, parallèlement aux particules entrantes à η = 0, permet aux fibres de remonter sans détour vers le rayon ex- térieur, ce qui entraîne une bonne herméticité calorimétrique et une association facile des tuiles avec les fibres.

Des faisceaux test d’électrons ont été utilisés pour calibrer la première couche du ca- lorimètre à tuile, tandis que les deux autres couches ont été intercalibrées par rapport à la première à partir de muons cosmiques. Au cours des prises de données, la réponse des cellules du calorimètre varie avec l’altération des photomultiplicateurs et la dégradation des tuiles scintillantes à cause de leur exposition aux radiations. Pour maintenir la calibration du calorimètre à l’échelle électromagnétique tout au long de la vie du détecteur, trois ca- librations sont réalisées à différentes étapes de la chaîne de lecture, illustrées Figure 2.12. L’électronique de lecture est calibrée en lui injectant une charge connue avec le système d’injection de charge (CIS). Ensuite, un système de laser permet d’étalonner la réponse des photo-multiplicateurs en émettant une lumière d’intensité réglable directement sur les

(a) (b)

Figure 2.10: Schéma d’un module du calorimètre à tuile du détecteur ATLAS (a), et simulation d’une gerbe hadronique dans trois modules du calorimètre dans le plan transverse (b).

Figure 2.11: Segmentation du calorimètre à tuile en cellules dans le plan longitudinal, dans le tonneau central (à gauche) et son extension (à droite).

photomultiplicateurs via des fibres. Enfin, une calibration de la chaîne optique complète formée des tuiles scintillantes, des fibres et des photomultiplicateurs est effectuée à l’aide d’une source de césium 137Cs qui illumine les scintillateurs en émettant des photons de

0,662 MeV [21].

Figure 2.12: Chaîne de calibration du calorimètre à tuile.

La résolution sur l’énergie des hadrons uniques du calorimètre à tuile seul est obtenue avec des faisceaux de test de pions. Elle est décrite par σ_E/E(π) = 52%/√E ⊕ 5.7% pour un

angle d’incidence η = 0.2, correspondant à une profondeur effective de 7.7λ. La résolution en énergie présente une dépendance avec l’angle d’incidence η, principalement en raison de l’augmentation de la profondeur effective et de la diminution des fuites longitudinales d’énergie lorsque η augmente. Les fuites longitudinales affectent principalement la résolution énergétique des particules d’énergie élevée et, par conséquent, reflète l’augmentation du terme constant [20].