Description des sous-détecteurs d’AMS02

ATLAS AMS02 27 m × 44 m Dimensions 3 m × 3 m 7000 t Poids 7 t > 1 MW Consommation < 2 kW ∼ 108 Nombre ∼ 3.105 de canaux 25 ns (40 Mhz) ^{Cadence de} 1 ms (1 kHz) l’acquisition

Tab. 5.2 – Comparaison des caractéristiques d’un détecteur de physique des particules pour le LHC et pour l’espace.

AMS01 constituait un test technologique pour AMS02. Comprenant moins de sous-détecteurs, il a volé 10 jours et son aimant n’était pas supraconducteur. Par conséquent, ses capacités d’identification étaient limitées, ainsi que la statistique obtenue. Cependant, la mission fut une réussite, et permit de valider le principe de ces mesures. De nombreux résultats de physique sont ressortis, avec la mesure précise des flux de protons [151], d’électrons [153], de positons [153], d’Hélium [154] et une limite sur le flux d’anti-Hélium [155] jusqu’à quelques GeV.

5.3 Description des sous-détecteurs d’AMS02

Le coeur du détecteur AMS02 est un trajectographe à Silicium, baigné dans un champ magnétique dipolaire produit par un aimant supraconducteur. Les plans de Silicium permettent de suivre à quelques microns près la trajectoire des particules déviées par le champ magnétique. Les autres appareils installés autour de ce coeur sont principalement destinés à améliorer l’identification des particules. AMS02 comprend un détecteur à rayonnement de transition (TRD pour Transition Radiation Detector), un dispositif de mesure du temps de vol (le TOF, pour Time Of Flight), un compteur Čerenkov à imagerie annulaire (le RICH, Ring Imaging CHerenkov counter), un calorimètre électromagnétique (ECAL pour Electromagnetic CALorimeter), ainsi que des compteurs véto à anti-coïncidences (ACC pour Anti Coincidence Counters). Ces différents appareils sont identifiés dans la figure 5.1 qui représente AMS02 dans son ensemble.

Dans la suite de cette partie sont décrits les différents sous-détecteurs apparaissant sur la figure 5.1. Quelques détails sont donnés sur leur conception, leur fonctionnement et leurs performances sont décrites.

5.3.1 L’ensemble aimant supraconducteur - trajectographe

Le dispositif central du spectromètre AMS02 est constitué du trajectographe à Silicium, entouré des compteurs à anti-coïncidence et de l’aimant supraconducteur. Ce dernier est approximativement cylin-drique, il mesure 1.13 m de diamètre intérieur et 83 cm de hauteur (à gauche sur la figure 5.2). Les bobines sont disposées de façon à générer un champ dipolaire dans la direction x dont la puissance est de BL2= 0.86 T · m2[156]. Afin d’obtenir un champ d’une telle intensité, en limitant le poids et la puissance nécessaire, le choix d’une technologie supraconductrice s’est imposé. L’inconvénient principal est qu’il im-plique d’utiliser un système cryogénique complexe, les bobines devant être maintenues à 1.8 K. Le système de refroidissement procède par évaporation d’Hélium superfluide, ce qui limite la durée de la mission. Il est attendu qu’en 3 ans environ les 2500 litres d’Hélium se soient évaporés. Afin d’éviter les interactions avec le champ magnétique terrestre, ainsi que pour permettre le bon fonctionnement des autres sous-détecteurs, l’aimant a été conçu pour produire un champ quasiment nul en dehors de la zone du trajectographe.

À l’intérieur de l’aimant est installé le trajectographe [157]. Celui-ci est constitué de lames de Silicium (également appelées échelles) agencées pour former des plans approximativement circulaires (à droite sur la figure 5.2). Les lames sont doubles, permettant ainsi une lecture en x et en y dans chaque plan. Huit de ces plans constituent le trajectographe, le premier et le dernier étant simples alors que les six autres sont doubles (i.e. constitués de deux lames double-faces). Le passage d’une particule chargée dans une

Chapitre 5. Le Spectromètre AMS02

Fig. 5.1 – Le détecteur AMS02 et ses sous-systèmes.

Fig. 5.2 – L’aimant supraconducteur d’AMS02 (à gauche) et un plan du trajectographe (à droite).

échelle provoque l’apparition de paires électron-trou dans le milieu semi-conducteur, qui sont séparés par l’application d’une différence de potentiel de 60 V entre les deux surfaces, espacées de 300 microns. Les huit plans permettent donc d’obtenir huit jeux de trois coordonnées et d’indiquer la trajectoire possible de la particule. La mesure principale du trajectographe est celle du rayon de courbure de la trajectoire, qui permet de déterminer la rigidité de la particule. Soit rc le rayon de courbure, la rigidité s’exprime comme

R = rc× k ~Bk avec R = ^p

|Z| ^. (5.1)

La résolution spatiale n’est pas la même dans la direction de courbure (i.e. perpendiculaire au champ, y) que dans la direction orthogonale x. La résolution sur y est de 10 µm alors que la résolution sur x est de 30 µm. En orbite, l’alignement des plans du trajectographe sera monitoré par 10 faisceaux LASER afin d’en connaître les positions à tout moment [158]. La précision obtenue alors sur la mesure de la rigidité est de l’ordre de quelques pourcent. Par exemple pour des protons d’énergie cinétique T = 1 GeV, la rigidité est déterminée à 2%, et pour T = 1 TeV à environ 10%, comme le montre la figure 5.3. La détermination des points de passage n’est pas la seule mesure que permet le trajectographe. En effet, l’amplitude des

5.3. Description des sous-détecteurs d’AMS02

signaux collectés sur les électrodes des échelles est proportionnelle à |Z|2. Il fournit donc également une information sur la valeur de la charge.

Fig. 5.3 – Résolution du trajectographe pour la mesure de la rigidité.

En résumé, la partie centrale d’AMS02 permet de mesurer la rigidité des particules chargées avec une précision de l’ordre de quelques pourcent, de déterminer le signe de la charge (séparation matière-antimatière), et de mesurer la charge absolue.

5.3.2 Les compteurs de temps de vol et compteurs véto

De part et d’autre du coeur d’AMS02 sont placés des plans de scintillateurs destinés à la mesure du temps de vol des particules dans le détecteur [159]. Cette mesure permet de mesurer la vitesse β de la particule et donc de participer à son identification à basse énergie (en dessous de quelques GeV). C’est surtout le signe de la vitesse qui revêt une importance particulière. En effet, il permet de rejeter les particules arrivant du dessous d’AMS02, évitant ainsi la confusion entre un noyau d’anti-Carbone qui révolutionnerait notre vision de l’Univers et un innocent noyau de Carbone traversant le détecteur de bas en haut. Les compteurs de temps de vol sont donc, comme nous le verrons dans la suite, les acteurs principaux du déclenchement de l’acquisition des données avec les compteurs véto.

Le système est constitué de deux plans supérieurs et deux plans inférieurs. Ils sont orientés de façon perpendiculaire afin de fournir deux coordonnées orthogonales pour chaque plan. Le paramètre clé défi-nissant ce sous-détecteur est la résolution sur le temps mesuré entre les signaux supérieurs et inférieurs. Cette résolution est d’environ 140 ps, alors que des particules relativistes parcourent les 1.3 m qui séparent les deux paires de plans en quelques nanosecondes.

En plus de constituer une information pour le déclenchement et de participer à l’identification, les scintillateurs produisent une quantité de lumière proportionnelle au carré de la charge. Le TOF fournit donc une information supplémentaire indépendante sur |Z|.

Le trajectographe est entouré d’un cylindre constitué de bandes verticales de 10 cm de largeur en matériau scintillant. Des photomultiplicateurs à leurs extrémités permettent de rendre compte du passage d’une particule chargée venant du côté, ou d’une interaction dans une zone morte du détecteur. Cette information n’est pas utile à l’identification mais est utilisée dans la procédure de déclenchement de l’acquisition des données pour rejeter les particules arrivant de côté et donc ne traversant pas AMS02 dans son acceptance. Ainsi, ces détecteurs sont parfois nommés scintillateurs véto, car leur action consiste à inhiber le spectromètre quand ils sont touchés.

Chapitre 5. Le Spectromètre AMS02

5.3.3 Le détecteur à rayonnement de transition

Ce sous-système d’AMS02 est destiné à la séparation e/p (i.e. à l’identification des électrons et posi-tons) et tire profit du mécanisme de rayonnement des particules chargées à l’interface de deux milieux de constantes diélectriques différentes. Ce rayonnement est émis dans le domaine X avec une énergie propor-tionnelle au facteur de Lorenz γ de la particule considérée. Le détecteur observe les photons de transition pour un facteur de Lorenz γ > 103. Les protons atteignent ce seuil à partir de 300 GeV, alors que les électrons sont déjà ultra-relativistes à 1 GeV. Le TRD est formé de 20 couches empilées sur une épaisseur de 60 cm. Chacune d’entre elles est constituée de modules comprenant un radiateur plan et des tubes permettant de détecter le rayonnement (voir la figure 5.4. Celui-ci se produit dans les radiateurs de chaque module comprenant 200 couches de 10 µm de polypropylène et assurant autant de transitions possibles. En moyenne 2 photons X sont émis par radiateur traversé. Ils sont détectés par des tubes remplis d’un mélange Xe/CO2 à (80%/20%) comprenant un fil central mis au potentiel de 1600 V. Le pouvoir de réjection obtenu est meilleur que les spécifications originales, il est de l’ordre de 103jusqu’à 300 GeV avec une efficacité pour les électrons de 90% (figure 5.4 à droite, adaptée de [160]).

Ⴠ Ⴠ Ⴠ Rayon cosmique Réjection requise F act eu r d e ré je ct io n d es p ro to n s E ( GeV ) Xe/CO₂ Couches de polypropylène

Fig. 5.4 – Le détecteur à rayonnement de transition d’AMS02 et sa capacité de séparation e/p mesurée en faisceau test.

Le TRD constitue donc un élément clé de la séparation e/p. De plus, les 4 premières et 4 dernières couches sont orientées selon l’axe y, alors que les 12 autres sont orientées selon x. Ainsi, la réponse du TRD permet d’ajouter des points à la trajectoire d’une particule chargée.

5.3.4 Le compteur Čerenkov

Le sous-détecteur décrit dans cette partie tire profit de l’effet Čerenkov : une particule chargée traversant un milieu à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce milieu émet un rayonnement contenu dans un cône dont le demi angle au sommet θ satisfait cos θ = 1/nβ. Dans cette expression, n est l’indice du milieu et β la vitesse de la particule chargée. Un radiateur est placé en haut du RICH, juste en dessous du second plan du TOF. Deux milieux d’indices différents servent à produire l’effet Čerenkov, une partie centrale de NaF (n=1.33) avec un seuil de 1 GeV, et une périphérie d’aérogel de Silice (n=1.05) avec un seuil en énergie de 3 GeV [161] pour les protons. La partie centrale permet d’atteindre des énergies plus faibles, ce qui est particulièrement important par exemple pour la mesure précise du rapport B/C (voir figure 4.5). Les photons Čerenkov sont détectés par un plan de photomultiplicateurs. Afin de ne pas placer trop de matière en amont du calorimètre, ce plan est laissé vide au centre, juste au-dessus du Ecal. Pour ne pas perdre en acceptance malgré cela, un réflecteur conique entoure le dispositif et dévie les photons sur le plan de détection, sans quoi ils seraient perdus. La figure 5.5 montre les trois parties

5.3. Description des sous-détecteurs d’AMS02

du RICH : le radiateur, le réflecteur conique et le plan de photomultiplicateurs. Au milieu de cette figure est schématisée l’émission du rayonnement Čerenkov par une particule chargée et sa réflexion vers le plan de photomultiplicateurs. À droite de la figure 5.5 sont représentés des anneaux reconstruits lors d’un test faisceau [162]. Les cercles ont mêmes rayons car l’énergie est fixée (158 GeV par nucléon ici), et on voit que plus la charge des ions est élevée, plus le nombre de photons Čerenkov est grand.

Fig. 5.5 – Constitution et fonctionnement du compteur Čerenkov d’AMS02.

La précision obtenue sur la détermination de β est de 0.1% pour |Z| = 1. Le nombre de photons permet d’identifier la valeur absolue de la charge jusqu’à Z = 26 (Fer), et la combinaison avec la mesure de l’impulsion dans le trajectographe permet de séparer les isotopes jusqu’à des masses de A = 25 à 10 GeV par nucléon. La figure 5.6 montre la séparation des noyaux obtenus avec des faisceaux d’ions lors d’un test au CERN d’un prototype du RICH.

Fig. 5.6 – Séparation des charges obtenue en test faisceau (adapté de [163]).

Le compteur Čerenkov joue donc un rôle essentiel dans l’identification des particules et plus particu-lièrement des noyaux. Comme cela a été montré dans le chapitre 4, cela conditionne l’étude des modèles de propagation de rayons cosmiques, pour lesquelles le RICH est absolument indispensable.

Chapitre 5. Le Spectromètre AMS02

5.3.5 Le calorimètre électromagnétique

L’objectif du calorimètre électromagnétique est de participer à la séparation e/p et à la mesure de l’énergie. Le calorimètre permet une réjection de l’ordre de 103, les ordres de grandeurs restant pour atteindre les chiffres du tableau 5.1 sont atteints grâce au TRD. Ceci est permis en raison de la différence de comportement des hadrons et des particules électromagnétiques dans la matière dense. Les seconds produisent des gerbes électromagnétiques, plus compactes que les gerbes hadroniques des premiers. La figure 5.7 montre une comparaison entre une gerbe électromagnétique à droite et une gerbe hadronique à gauche.

Fig. 5.7 – Comparaison des comportements hadroniques (à gauche) et électromagnétique (à droite) des particules dans la matière dense.

Le Ecal est le dernier système à être traversé par un rayon cosmique se présentant dans l’acceptance d’AMS02. Tous les détecteurs situés en amont du calorimètre ont été optimisé pour présenter le moins de matière possible. Ainsi une particule n’aura parcouru que 0.4 longueurs de radiations (X0) avant de l’atteindre. Le Ecal est conçu pour présenter 16.5 X0, ce qui permet en plus des capacités d’identification, de fournir une mesure très précise de l’énergie des particules électromagnétiques (e± et γ) du GeV au TeV. Nous verrons dans la suite que le Ecal possède son propre système de déclenchement et permet ainsi d’augmenter significativement la sensibilité d’AMS02 aux photons.

Fig. 5.8 – Constitution du calorimètre électromagnétique, de gauche à droite : la structure non instrumen-tée dans son ensemble, 3 super-couches et le détail des fibres scintillantes, un des 324 photomultiplicateurs. Le calorimètre est inspirée de celui de l’expérience KLOE [164], c’est un assemblage de plomb et de fines fibres scintillantes, dont la lumière est lue par 324 photomultiplicateurs [165], il est représenté à gauche dans la figure 5.8. Le plomb, très dense, permet de déclencher les cascades électromagnétiques, alors que les fibres scintillantes servent à détecter les particules constituant la gerbe. La surface active est de 648×648 mm2, et il est constitué de 9 super-couches dont les fibres sont orientées successivement en xet en y (3 d’entre elles sont représentées dans la figure 5.8). Chaque super-couche est épaisse de 18.5 mm et est elle-même constituée de fibres, intercalées avec 11 feuilles de plomb de 1.68 mm d’épaisseur. Aux extrémités des fibres sont placés des photomultiplicateurs comprenant 4 anodes [166]. La taille des

5.3. Description des sous-détecteurs d’AMS02

photomultiplicateurs (2.4 cm × 2.4 cm) a été choisie pour être compatible avec le rayon de Molière2 et la longueur de radiation. Chaque anode recueille la lumière des fibres sur un carré d’environ 9 mm de côté. Ainsi la gerbe électromagnétique est imagée en 3 dimensions, avec des pixels d’une surface de l’ordre de 8 mm2. La conception du Ecal permet donc de reconstruire précisément le profil de perte d’énergie des particules. En faisant une image en 3 dimensions de la gerbe, il est possible d’identifier les comportements hadroniques des gerbes électromagnétiques avec un grand niveau de confiance [167], [168].

Le calorimètre présentant 16.5 X0[170], les gerbes électromagnétiques n’y seront pas entièrement conte-nues. L’échantillonnage fin du profil de gerbe permet d’effectuer un ajustement et d’en tirer le paramètre correspondant à l’énergie. La figure 5.9 montre deux exemples de profils longitudinaux à 3 GeV et à 180 GeV, obtenus lors du test faisceau du calorimètre au CERN/SPS en 2002 [170]. La fonction ajustée est

dE

dz ^{= E0b}

(bz)a−1e−bz

Γ(a) ^, (5.2)

où a et b sont des réels et E0 est l’énergie incidente recherchée [44]. Le dimensionnement du Ecal est calculé pour qu’une gerbe au TeV présente son maximum de développement dans le détecteur. À 1 TeV, le maximum de la gerbe se situe à 13 X0, il est donc compris dans le calorimètre d’AMS02. L’ajustement du profil longitudinal permet donc de remonter à l’énergie, le point important étant de pouvoir observer la descente après le maximum (voir figure 5.9.

Fig. 5.9 – Profils longitudinaux de perte d’énergie dans le Ecal pour des électrons de 3 et 180 GeV [170]. Il faut noter qu’à 180 GeV, la gerbe électromagnétique n’est pas totalement contenue dans le Ecal. Les pertes longitudinales augmentent avec l’énergie car la gerbe est plus grande et se développe plus tard. L’ajustement permet toutefois une très bonne estimation de l’énergie totale incidente. La résolution énergétique, mesurée en test faisceau [170], est donnée par l’expression

σE

E ^{= 2.3% ⊕}

10.16% √

E ^. (5.3)

Le calorimètre est également doté d’un système de mesure de température (capteurs DALLAS) et de résistances chauffantes. Le calorimètre va en effet subir de grands changements de température, et il a été montré que les piédestaux des photomultiplicateurs en dépendent [171]. Il est donc important de mesurer la température, et d’essayer de la stabiliser. Malgré cela, et la présence d’un système de déclenchement

Chapitre 5. Le Spectromètre AMS02

indépendant, le Ecal ne consomme que 100 W. Nous reviendrons sur les considérations de température dans le chapitre suivant.

Du point de vue mécanique, le calorimètre doit peser moins de 638 kg, pouvoir supporter des accéléra-tions de 13 g et avoir un premier mode de résonance à une fréquence supérieure à 50 Hz. Pour satisfaire ces contraintes, un modèle prototype (dit d’ingénierie) du Ecal a été construit et intensivement testé. Celui-ci a permis de valider la conception et les méthodes de fabrication du modèle de vol. Ce dernier a été épargné des test les plus rudes, il n’a par exemple pas subit de vibrations aussi intenses que le modèle d’ingénierie. En résumé, le calorimètre électromagnétique d’AMS02 permet de séparer les électrons et positons des hadrons avec un facteur d’au moins 103, et de mesurer l’énergie des particules électromagnétiques avec une précision de l’ordre du pourcent. Enfin, nous verrons dans la suite qu’il est utilisé également comme un système de déclenchement à lui seul, ce qui permet d’améliorer la sensibilité aux photons. La description du fonctionnement des photomultiplicateurs ainsi que de l’électronique de lecture du calorimètre est réservée au chapitre suivant, consacré à la validation de la chaîne d’électronique du Ecal.