Le calorim` etre

a l’int´erieur de celle-ci. Au centre se trouve une fibre claire du mˆeme type que celles du CFT, permettant la transmission des photons issus de la scintillation.

Figure II.11 –Coupe transverse d’une piste de scintillateur des d´etecteurs de pied de gerbe.

II.2.5 Le calorim`etre

La partie calorim´etrique de DØ n’a pas chang´e depuis le Run I, seule son ´electronique a ´

et´e adapt´ee aux nouvelles conditions de fonctionnement. Elle permet de mesurer l’´energie d´epos´ee par les photons, ´electrons, hadrons et jets de particules. Les calorim`etres par-ticipent `a l’identification de ces objets et leur grande herm´eticit´e facilite la mesure de l’´energie manquante en consid´erant l’´equilibre en ´energie transverse de l’´ev´enement. Elle est compos´ee d’un calorim`etre central (CC) couvrant la r´egion∣η∣ ≤ 1 et de calorim`etres `a l’avant ´egalement appel´es bouchons (EC), augmentant la couverture jusqu’`a ∣η∣ ≈ 4 (voir figureII.12). Afin de limiter les zones mortes, un d´etecteur suppl´ementaire ICD est ins´er´e dans la r´egion intercryostatique – interstice s´eparant le calorim`etre central des calorim`etres `

a l’avant, s’´etendant sur 0.4≤ ∣η∣ ≤ 0.8.

Le principe du calorim`etre est l’absorption totale de l’´energie d’une particule inci-dente, c’est une mesure destructive. La particule inciinci-dente, par interactions atomiques ou nucl´eaires avec le milieu absorbant, va initier des r´eaction multiples produisant des gerbes de particules. Le d´epˆot d’´energie est alors int´egr´e sur la gerbe, les particules produites ionisent le milieu actif, permettant de mesurer l’´energie de la particule incidente.

– D’une part la production de gerbes ´electromagn´etiques induites par les photons et les ´electrons. A haute ´energie (≈ GeV) elle est principalement due au rayonne-ment de freinage (ou Bremsstrahlung) d’un ´electron dans le champ ´electrique au voisinage des atomes ainsi qu’`a la conversion ´electron-photon, ces deux m´ecanismes s’alimentant l’un l’autre. Cette cascade en chaˆıne conduit `a la formation de la gerbe ´

electromagn´etique. La grandeur physique associ´ee `a ce m´ecanisme est la longueur de radiation X₀, repr´esentant la distance moyenne pendant laquelle un ´electron de haute ´energie ne conserve que 1/e de son ´energie initiale.

– D’autre part, les hadrons quant `a eux peuvent interagir avec la mati`ere par interac-tion forte. L’´energie est cette fois dissip´ee par collisions in´elastiques multiples dans le milieu, donnant naissance `a des particules secondaires, elles-mˆemes `a la base de nouvelles interactions jusqu’`a dissipation totale de l’´energie. La quantit´e consid´er´ee dans ce cas est li´ee au libre parcours moyen entre deux interactions fortes dans le milieu : la longueur d’interaction λ₀.

Il convient donc de traiter ces deux cas s´epar´ement et de construire le calorim`etre de mani`ere `a pouvoir correctement mesurer et ´egalement diff´erencier les gerbes ´electromagn´ e-tiques des gerbes hadroniques. On rencontre donc, de l’int´erieur vers l’ext´erieur, la partie ´

electromagn´etique EM puis une partie hadronique divis´ee en deux r´egions de granularit´es diff´erentes, tout d’abord fine (Fine Hadronic FH) puis grossi`ere (Coarse Hadronic CH). Le sch´ema du calorim`etre est montr´e sur la figure II.12.

L’´el´ement de base du calorim`etre est la cellule, chaque cellule `a pour but d’absorber l’´energie des particules incidentes et d’envoyer un signal correspondant `a l’´energie d´epos´ee. Dans les cellules du calorim`etre de DØ, le milieu absorbant – qui amorce les gerbes – et le milieu actif – qui s’ionise au passage des particules – sont s´epar´es, on appelle ce type de calorim`etre un calorim`etre `a ´echantillonnage, en opposition au calorim`etre homog`ene qui ne poss`ede qu’un seul mat´eriau capable d’absorber et de g´en´erer un signal. Un sch´ema d’un module comprenant deux cellules calorim´etriques de DØ est visible sur la figureII.13. Les cellules sont ensuite align´ees en tours calorim´etriques, orient´ees selon la direction des particules incidentes, leur projection converge ainsi avec le centre du d´etecteur (voir figure II.14).

La diff´erence principale entre les parties ´electromagn´etique et hadronique vient du type d’absorbeur utilis´e. On utilise de l’uranium appauvri – d’´epaisseur 3 mm ou 4 mm respectivement pour le calorim`etre central et les calorim`etres `a l’avant – pour la partie ´

electromagn´etique, qui a pour avantage de poss´eder une longueur de radiation faible, ce qui permet de d´evelopper la totalit´e de la gerbe ´electromagn´etique dans un calorim`etre ´

electromagn´etique compact. Pour la partie hadronique fine on utilise un alliage uranium-noebium (2%), pour la partie grossi`ere on utilise des plaques de cuivre de 46.5 mm dans le calorim`etre central ou de l’acier inoxydable pour les calorim`etres `a l’avant.

Figure II.12 – ^{Perspective cavali`ere du calorim`etre central et des calorim`etres `a l’avant.}

Figure II.13 – Sch´ema d’un module de deux cellules calorim´etriques de DØ. Des plaques de mat´eriau absorbant baignent dans de l’argon liquide (milieu actif), des plaques de cuivre sont dispos´ees de mani`ere `a collecter les charges.

On utilise par contre le mˆeme ´el´ement actif partout, l’argon liquide. Celui-ci poss`ede un taux d’ionisation tr`es important mais doit ˆetre maintenu `a une temp´erature de 78 K pour rester liquide, les trois calorim`etres sont pour cela envelopp´es dans un cryostat constitu´e d’une double couche d’acier inoxydable.

Figure II.14 –^{Sch´ema d’une coupe du calorim`etre pr´esentant les segmentations longitudinale} et transversale.

La figure II.15 repr´esente une simulation de l’interaction d’´electrons `a travers les diff´erents ´el´ements du d´etecteur avant d’amorcer des gerbes dans le calorim`etre central et un calorim`etre `a l’avant.

II.2.5.1 Les performances du calorim`etre

La r´esolution en ´energie σ_E globale du calorim`etre est complexe et d´epend non seule-ment de plusieurs effets mat´eriels mais ´egalement du type de particule mesur´ee. Son expression est de la forme :

σ_E E =

√ S2

E +^N_E2² + C2 (II.2)

o`u les param`etres S,N et C correspondent respectivement aux fluctuation d’´ echantill-onnage, au bruit et `a l’incertitude de calibration. Des ´etudes de performances ont ´et´e r´ealis´ees en utilisant des faisceaux de pions et d’´electrons entre 10 et 150 GeV pour tester respectivement la partie ´electromagn´etique et la partie hadronique. Pour le cas du faisceau d’´electron on a mesur´e C = 0.003 ± 0.002 et S = 0.157 ± 0.005 GeV1/2, et pour les pions C= 0.032±0.004 et S = 0.411±0.04 GeV1/2. Le bruit quant `a lui provient principalement de la radioactivit´e de l’uranium et vaut N = 0.135 GeV pour le calorim`etre ´electromagn´etique et N = 0.45 GeV pour le calorim`etre hadronique.

Figure II.15 – Simulation d’´electrons de P_T = 80 GeV dans la r´egion centrale et `a l’avant du d´etecteur DØ. Du vertex primaire vers l’ext´erieur on trouve successivement le d´etecteur de vertex `a micro-pistes de silicium (SVT), le trajectom`etre `a fibres scintillantes (CFT) entour´e par le sol´eno¨ıde, le d´etecteur de pied de gerbe central (CPS) et `a l’avant (FPS), le calorim`etre central (CC) et `a l’avant (EC).

II.2.5.2 Le d´etecteur inter-cryostat

Pour diminuer les pertes en mesure d’´energie entre le cryostat du calorim`etre central et ceux `a l’avant, un d´etecteur a ´et´e install´e, nomm´e ICD pour Inter-Cryostat Detector. L’ICD consiste en 16 super-tuiles plac´ees de chaque cˆot´e du calorim`etre central pour un total de 384 tuiles de scintillateurs couvrant la r´egion 1.1< ∣η∣ < 1.4. Les photons produits dans les scintillateurs sont transmis par des fibres claires vers des photo-multiplicateurs. Les coupes transversale et longitudinale sont montr´ees sur la figure II.16.