Le detecteur ATLAS
TRT Détecteurs
2.2.3 Detecteurs a pixels
2.2.3.1 Geometrie
Le detecteur de vertex a pixels [38, 49, 50, 51] est constitue de deux couches cylindriques pour la partie centrale, et de huit disques pour la partie avant ( gure 2.4). Pour la phase initiale de fonctionnement dulhca des luminosites moderees, une troisieme couche est placee pres du tube faisceau a n d'ameliorer sensiblement les performances pour la mesure precise des positions des vertex. Cette couche pourrait ^etre maintenue [52] lors du fonctionnement dulhca sa luminosite nominale: toutefois les dommages par radiations necessiteraient alors son remplacement presque chaque annee.
Le positionnement des couches de pixels est resume dans la tableau 2.1. Le choix du rayon de la couche interne resulte d'un compromis entre performances et duree de vie du detecteur. La couche externe est placee de facon a permettre une bonne extrapolation vers les detecteurs suivants (sct).
LE DETECTEUR ATLAS Le detecteur interne Couche R (cm)
l=
2 (cm) # echelles(deg) # modules
B 4.0 38.40 16 10.5 13 2
:
501 11.0 38.40 44 9.5 13 1
:
502 14.2 33.82 58 9.5 11 1
:
25Tableau 2.1: Geometrie des couches de pixels. Pour chaque couche sont indiques le rayon moyen, la demi-longueur active, le nombre d'echelles, l'inclinaison azimuthale de l'echelle, le nombre de modules par echelle et la couverture en pseudo-rapidite.
Chaque couche est constituee
Couche B R = 4.0 cm L = 76.8 cm Couche 2 R = 14.2 cm L = 67.6 cm Couche 1 R = 11.0 cm L = 76.8 cm Disque 1 Z = 47.3 cm R1 = 11.1 cm R2 = 20.8 cm Disque 4 Z = 47.3 cm R1 = 15.9 cm R2 = 20.8 cm ( à basse luminosité ) ATLAS Pixels
Figure 2.4: Le systeme de detecteurs a pixels dans l'experience Atlas.
d'echelles supportant une ligne de modules. Outre cette fonction de support, les echelles acheminent le uide de refroidissement.
Dans le plan
R
-, les echelles sont inclinees par rapport au rayon d'un angle
: le leger chevauche-ment en
ainsi permis (environ six pixels, gure 2.5) garantit l'her-meticite du detecteur pour les tra-ces d'impulsion transverse superi-eure a 500 MeV et facilite l'aligne-ment. De plus, le sens de cette in-clinaison est choisi de facon a ac-centuer le deplacement des charges produites dans le substrat de sili-cium (angle de Lorentz d^u au ch-amp magnetique), permettant un etalement de la charge sur environ deux pixels qui peut ameliorer la resolution.
Le long d'une echelle, les mo-dules sont decales alternativement en rayon de 300
m pour per-mettre egalement un recouvrement enZ
. Celui-ci est projectif (non-constant selonZ
) et tient compte de la dimension longitudinale importante de la zone d'interaction (2z=11:
2 cm).Figure2.5: Disposition des echelles dans le plan
R
-.
De part et d'autre des couches centrales, quatre disques sont disposes de facon a completer l'acceptance du detecteur (table 2.2). Les trois premiers disques sont constitues d'une roue interne et d'une roue externe alors que seule la roue externe est necessaire pour le disque le plus eloigne ( g. 2.4). Des secteurs angulaires (modules trapezodaux) sont xes en alternance de chaque c^ote des roues, ces dernieres assurant le support mecanique et l'evacuation de la chaleur.
Le recouvrement en
d'un secteur a l'autre est d'environ 200m, soit quatre pixels, et celui en
R
d'une roue sur l'autre de 700m (environ deux pixels).LE DETECTEUR ATLAS Le detecteur interne Disque
Z R
minR
max # secteurs # secteurs(cm) (cm) (cm) internes externes 1 47.3 11.10 20.84 108 144 2 63.5 11.10 20.84 108 144 3 77.6 11.10 20.84 108 144
4 107.2 15.94 20.84 144
Tableau 2.2: Geometrie des disques de pixels. Sont indiques la position longitudinale moyenne, la zone radiale active et le nombre de secteurs des roues internes et externes.
2.2.3.2 Module
Le module est l'element de base de la geometrie. Son architec-ture s'articule autour du milieu de detection, un plan de silicium de 150
m d'epaisseur pour une sur-face d'environ 2 6 cm2, ou sont implantees les matrices de cellules elementaires (pixels). Sur ce plan sont rapportees les seize puces de l'electronique de lecture, la conne-ction etant assuree par des micro-billes. Un processeur supplementaire (MCC) contr^ole l'ensemble et gere l'acheminement des donnees vers l'exterieur via un kapton ( g. 2.6).2.2.3.3 Caracteristiques
Le systeme de detecteurs a pixels d'Atlaspresente plus de 108 cellules (pixels). La taille d'un pixel est de 50
m sur 300m. Le petit c^oteest selon l'axeR
-dans les couches centrales et selon
dans les disques. La grande granularite du systeme conduit a un taux d'occupation tres faible: environ un pixel sur dix mille est touche par evenement a la luminosite nominale
du lhc. echelles de la partie centrale.Figure 2.6: Schema d'un module equipant les
2.2.3.3.1 Couverture en espace
Une trace traverse au moins trois detecteurs a pixels sur toute l'acceptance ( g. 2.7). Du fait des recouvrements, la moyenne est de 3.3 dans la region centrale (0
< <
1:
5).La gure 2.8 montre le nombre de points obtenus dans les pixels en fonction de la pseudo-rapidite. Dans la zone centrale, en moyenne deux pixels sont touches, du fait du champ magnetique qui favorise le partage de charge en
R
-. Ce nombre augmente avec car alors une trace traverse plusieurs pixels selon
z
.LE DETECTEUR ATLAS Le detecteur interne
Couches centrales
Disques
Figure 2.7: Nombre de detecteurs a pixels touches en fonction de la pseudo-rapidite, pour des muons de
p
T = 50 GeV produits dans la zone d'interaction (2z) et sans inef- cacite des detecteurs.Couches centrales
Disques
Figure 2.8: Nombre de pixels touches en fonction de la pseudo-rapidite, pour des muons de
p
T = 50 GeV produits dans la zone d'interaction (2z) et sans inecacite des detecteurs.Couches centrales
Disques
Figure2.9: Taille des amas de pixels touches en
R
-en fonction de la pseudo-rapidite (en nombre de pixels i.e. 50 m).
Couches centrales
Disques
Figure 2.10: Taille des amas de pixels touches en
z
en fonction de la pseudo-rapidite (en nombre de pixels i.e. 300m).LE DETECTEUR ATLAS Le detecteur interne Ces deux e ets sont visibles sur les gures 2.9 et 2.10 qui representent la taille moyenne des amas de pixels touches (en nombre de pixels) en fonction de la pseudo-rapidite.
2.2.3.3.2 Systeme de lecture
Celui-ci sera decrit plus en detail au chapitre suivant ( x3.1.2.2.1). Notons simplement que la lecture de la charge des pixels se fait par comparaison a un seuil, et que la reponse est donc binaire.
2.2.3.3.3 Resolution spatiale
Pour une taille de cellule de 50
m300m, la resolution en position est alors typiquement r '14m etz '87m. Gr^ace au partage de charges entre pixels voisins, cette resolution en position peut ^etre amelioree. Les gures 2.11 et 2.12 montrent les resolutions en position enR
-et en
z
obtenues par simulation.0 5 10 15 0 1 2 3 η σ (R φ ) ( µ m)
Figure 2.11: Resolution en position
R
-(
) pour les couches centrales en noir (les disques, en blanc) en fonction de la pseudo-rapidite. 0 25 50 75 100 0 1 2 3 η σ (ZR) ( µ m)
Figure 2.12: Resolution en position
z
(R
) pour les couches centrales en noir (les disques, en blanc) en fonction de la pseudo-rapidite.2.2.3.3.4 Ecacite et bruit
Le traitement de la reponse des detecteurs a pixels dans la simulation est decrit en detail en [51]. Rappelons que la di usion dans le substrat est simulee ainsi que les uctua-tions du seuil du discriminateur (2000
e
400e
). Typiquement une particule au minimum d'ionisation traversant sous incidence normale les 150 micro-metres du substrat de silicium induit une charge d'environ 13000 electrons. Les cas ou la charge recueillie est inferieure au seuil (incidence telle que le parcours dans le silicium est faible ou uctuations du seuil) represente donc l'inecacite de base. Dans la simulation, une inecacite additionnelle de 3% est introduite pour tenir compte d'e ets residuels: pixels inactifs ou masques.D'autre part, apres avoir masque les pixels bruyants, le bruit residuel est simule bien qu'extr^emement faible (10 ).
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