Calorimètres

Les calorimètres ont pour objectif de mesurer l’énergie des électrons, photons et hadrons neutres ou chargés. Ils doivent être suffisamment profond pour contenir l’ensemble de la gerbe. Grâce à sa couverture jusqu’à |η| < 4.9, ils permettent également de mesurer l’énergie transverse manquante emportée par les neutrinos ou toute nouvelle particule n’interagissant pas avec le détecteur. Ils jouent un rôle dans le système de déclenchement d’ATLAS. Les calorimètres sont des calorimètres à échantillonnage, ils sont composés d’une alternance de matériaux absorbeurs dans lesquels la gerbe va se développer et de matériaux sensibles utilisés pour mesurer le signal. Le système calorimétrique d’ATLAS présenté sur la figure 18 est composé de trois sous-détecteurs :

— un calorimètre électromagnétique à argon liquide composé d’une partie tonneau cou-vrant |η| < 1, 475 et de deux bouchons situés à 1, 375 < |η| < 3, 2.

— un calorimètre hadronique composé de tuiles scintillantes dans le tonneau d’acceptance |η| < 1, 7 et d’un calorimètre à argon liquide dans les bouchons d’acceptance 1, 5 < |η| < 3, 2.

— un calorimètre vers l’avant couvrant la région 3, 2 < |η| < 4, 9 dont le milieu absorbeur est du cuivre ou du tungstène et le milieu actif de l’argon liquide.

Calorimètre électromagnétique

Le milieu absorbeur du calorimètre électromagnétique [1] est le plomb. Pour |η| < 0.8 (|η| > 0.8), l’épaisseur des couches de plomb dans le tonneau est de 1,53 mm (1,13) alors que dans les bouchons, l’épaisseur est de 1.7 (2.2) mm pour |η| < 2.5 (|η| > 2.5). Le milieu ac-tif du calorimètre est de l’argon liquide dans lequel se trouve des électrodes en kapton portées à un potentiel de 2 kV. La distance de dérive de chaque côté de l’électrode est 2.1 mm. Lorsqu’un

(a) (b)

Figure 19 – (a) En haut, l’amplitude des plis dans le tonneau varie avec la profondeur pour obtenir des modules projectifs. L’angle des plis est choisi pour maintenir la largeur des gaps d’argon liquide constante. En bas, agencement des différents milieux (b) Segmentation d’un module du calorimètre

électron ou un photon traverse le milieu absorbeur, il crée une cascade d’émission de Brem-sstrahlung et de conversion en paire e⁺e⁻. Les électrons de basses énergies ainsi générés vont ioniser l’argon liquide. Les électrons d’ionisation dérivent alors jusqu’à l’électrode. Le temps de dérive est de l’ordre de 400 ns, ce temps est relativement long par rapport à l’intervalle de temps entre 2 collisions (25 ns). Une géométrie en accordéon visible sur la figure 19a ainsi qu’une intégration de la charge totale sur un temps de 40 - 50 ns permet une extraction rapide du signal.

La segmentation longitudinale du calorimètre est composée de trois couches, chacune pos-sédant sa propre segmentation transverse comme le montre la figure 19b.

La première couche du calorimètre possède la segmentation la plus fine en η, sa granularité est de ∆η × ∆φ = 0, 025/8 × 0, 1 dans la région |η| < 1.4. Dans les bouchons, la segmentation varie en fonction de η :

— pour 1, 5 < |η| < 1, 8 : ∆η × ∆φ = 0, 025/8 × 0, 1 — pour 1, 8 < |η| < 2, 0 : ∆η × ∆φ = 0, 025/6 × 0, 1 — pour 2, 0 < |η| < 2, 4 : ∆η × ∆φ = 0, 025/4 × 0, 1

L’épaisseur de la couche est d’environ 4.4 X₀. Elle possède une très bonne résolution en η qui permet de distinguer les photons provenant des pions qui sont en général très proches comme le montre la figure 20.

La seconde couche est la couche où l’essentiel du développement de la gerbe se produit, sa profondeur est d’approximativement 18 X₀ et sa granularité ∆η × ∆φ = 0, 025 × 0, 025. La mesure de cette couche combinée avec celle de la première couche du calorimètre permet d’obtenir la direction incidente du photon et d’accéder à son vertex.

La dernière couche contient la fin de la gerbe électromagnétique, elle possède une épaisseur d’environ 2 X₀ et une granularité de ∆η × ∆φ = 0, 05 × 0, 025.

En plus de ces trois couches, le calorimètre électromagnétique est précédé d’une quatrième couche couvrant la région |η| < 1.8, il s’agit du pré-échantillonneur possédant une épaisseur de 1,1 cm (0,5 cm) dans le tonneau (bouchons) et une granularité de ∆η × ∆φ = 0, 025 ×

Figure 20 – L’événement de gauche montre la possible désintégration d’un pion Π0 se désin-tégrant en deux photons, bien que très proches, les deux photons sont visibles dans la première couche. Dans le cas d’un photon parfaitement isolé, la forme dans la première couche est très différente comme le montre l’événement de droite.

0, 01. Il permet de corriger les pertes d’énergie induites par les matériaux se trouvant avant le calorimètre. La particule incidente va ioniser le milieu produisant un signal proportionnel aux pertes d’énergie avant le calorimètre.

Le calorimètre possède 170 000 canaux de lecture. Des cartes mères situées à l’avant ou à l’arrière du calorimètre somment le signal et l’envoient vers des cartes électroniques frontales (Front en board ou FEB). Dans les FEB, le courant est amplifié par différents gains (1, 10 et 100). De plus, afin d’annuler en moyenne l’effet de l’empilement, le signal de sortie est bipolaire, c’est à dire qu’il possède des valeurs à la fois positives et négatives dont le temps de montée de 5% à 100% est choisi à 45 ns pour minimiser le bruit total. Si un signal de déclenchement est reçu, le gain le plus adapté est choisi pour être transmis à des cartes de lecture (ROD) qui déterminent l’énergie et si celle-ci est supérieure à cinq fois le bruit total, la position du maximum d’énergie est déterminée. L’électronique du calorimètre comporte également une partie dédiée au système de déclenchement. Un schéma de l’électronique est montré sur la figure 21.

La résolution du calorimètre [72] est donnée par :

σ_E E ⁼ a √ E ⊕ ^b E ⊕ c (109)

où E est l’énergie reconstruite, a est le terme d’échantillonnage ou terme stochastique qui décrit les fluctuations statistiques associées au développement de la gerbe électromagnétique. Sa valeur est de 10% pour η = 0. Le facteur b est le terme de bruit décrivant les fluctuations provenant du bruit électronique et du pile-up, la dépendance en 1/E montre que ce terme est particulièrement important à basse énergie. Sa valeur est d’environ 300 MeV. La grandeur c est le terme constant qui indique la non-uniformité de la réponse du calorimètre à cause des gradients de température, des non-uniformités et des impuretés du matériau, des imperfections mécaniques et des dommages liés aux radiations. Sa valeur nominal est de l’ordre de 0.7% dans le tonneau. Ce terme est important dans les études à hautes énergies.

Figure 21 – Schéma de l’électronique du calorimètre électromagnétique. La lecture des signaux repose principalement sur les Front-end-boads et les ROD.

Calorimètre hadronique

Le calorimètre hadronique reconstruit l’énergie et la position des jets issus des quarks et gluons. En effet, lorsqu’un quark ou un gluon est produit par un processus physique, le quark se propage en émettant d’autres quarks et gluons, la gerbe de partons (ou parton shower) est ainsi créée. De plus, la liberté asymptotique, propriété de l’interaction forte implique que seules les particules de couleur blanche peuvent se propager librement, les quarks se regroupent donc en hadrons, c’est la hadronisation.

Le calorimètre hadronique possède une épaisseur d’au moins 8 longueurs d’interaction afin de contenir totalement les particules de plus hautes énergies et limiter les fuites vers le spec-tromètre à muons. Le calorimètre hadronique se compose de trois sous-détecteurs :

— Dans la région centrale |η| < 1, un tonneau à tuiles scintillantes et en acier est placé au dessus du tonneau du calorimètre électromagnétique.

— Le tonneau est prolongé par 2 extensions couvrant la région 0, 8 < |η| < 1.7. Elles se composent de tuiles scintillantes et d’acier placées au dessus des bouchons du calorimètre électromagnétique.

— Deux bouchons à argon liquide ferment le calorimètre dans la région 1, 7 < |η| < 3, 2, ils sont situés derrière les bouchons du calorimètre électromagnétique.

La reconstruction des jets repose sur le regroupement d’amas de cellules (cluster), celle-ci sera détaillée dans une partie ultérieure. Sa résolution en énergie nominale est :

σE

E ⁼

50% √

E ⊕ 3% (110)

Le tonneau possède une longueur de 5.8 m de long et les extensions mesurent 2.6 m chacune. Ils forment une couche cylindrique de rayon interne 2,28 m et de rayon externe 4,25 m divisée

(a) (b)

Figure 22 – (a) Schéma d’un module du calorimètre à tuiles (b) Cryostats des bouchons communs au calorimètre électromagnétique et hadronique

en trois couches de segmentations différentes. Les deux premières couches ont une granularité de ∆η ×∆φ = 0, 1×0, 1 alors que la troisième couche a une granularité de ∆η ×∆φ = 0, 1×0, 2, l’ensemble du calorimètre à tuiles [2] est composé de 64 modules dont le schéma est montré sur la figure 22a. Les tuiles scintillantes sont placées dans une matrice d’acier perpendiculairement à l’axe du faisceau. Les tuiles sont composées de polystyrène dopé au fluor qui lorsqu’une particule les traverse émettent une lumière de scintillation ultraviolette. Cette lumière est collectée des deux côtés des cellules par une fibre optique à décalage de longueur d’onde. Les fibres optiques provenant d’une même cellule sont regroupées puis le signal est mesuré par deux photo-multiplicateurs distincts.

Les bouchons utilisent le même matériau actif que le calorimètre électromagnétique : l’argon liquide mais le matériau passif est du cuivre. De plus, la géométrie n’est plus en accordéon mais une succession de plans parallèles entre eux perpendiculaires à l’axe du faisceau. Chaque bouchon est constitué de deux roues alignées longitudinalement épaisses de 82 et 96 cm avec un rayon de 2,03 m, ils sont composés de 32 modules. La lecture des signaux est similaire au calorimètre électromagnétique à l’exception du fait que les pré-amplificateurs sont dans l’argon liquide. Les bouchons électromagnétiques et hadroniques partagent les mêmes cryostats comme le montre la figure 22b.

Le calorimètre vers l’avant

Le calorimètre vers l’avant améliore l’hermiticité de l’ensemble des calorimètres d’ATLAS, il couvre la région 3, 2 < |η| < 4, 9. Cette partie du détecteur est importante pour déterminer l’énergie transverse manquante et totale. Sa position implique qu’il est soumis à un flux intense de particules. Il est composé de trois modules de granularité ∆η × ∆φ = 0, 2 × 0, 2 pour lesquels le milieu actif est l’argon liquide. Pour le premier module, le milieu passif est le cuivre afin d’obtenir une meilleure résolution. Les deux autres modules utilisent le tungstène comme milieu passif, la densité de ce matériau permet d’obtenir des gerbes étroites et courtes. Les électrodes sont composées de deux cylindres concentriques séparés pour chaque module de respectivement 269, 276, 508 µm. Le temps de dérive est plus court que celui du calorimètre 60 ns ce qui

Figure 23 – Schéma des aimants du détecteur ATLAS. Le solénoïde est représenté en bleu, le toroïde générant le champ magnétique dans la partie centrale en rouge et dans les bouchons en vert.

minimise les effets dûs au flux intense de particules. Le calorimètre est composé de 3524 voies de lecture.