Le d´ etecteur interne et le sol´ eno¨ıde

Comme dit pr´ec´edemment, une des fonctions principales du d´etecteur interne est de mesurer les impulsions des traces des particules charg´ees ainsi que de reconstruire les vertex dont elles sont issues. Il s’agit de la premi`ere couche du d´etecteur, commen¸cant `a 5 cm du point d’interaction, d’une largeur totale de 2 m`etres, comme r´esum´e Figure 2.7. Par cons´equent, sa composition est un compromis entre robustesse aux radiations, pour s’assurer d’un fonctionnement optimal pendant 10 ans, et quantit´e de mati`ere, dont la pr´esence perturbe la pr´ecision des mesures des couches sui- vantes, notamment du calorim`etre. Le d´etecteur interne est plac´e dans un sol´eno¨ıde cr´eant un champ magn´etique de 2 T selon l’axe du faisceau, ce qui courbe les traces charg´ees d’un rayon R = γβm_qB via la force de Lorentz. Inf´erant l’identit´e de la particule en fonction des traces laiss´ees dans les diff´erentes parties du d´etecteur, la reconstruction de la courbure de la trace dans le d´etecteur in- terne donne la charge de la particule et son impulsion.

L’extrapolation des traces au vertex dont elles sont issues permet de regrouper celles qui pro- viennent de l’interaction principale et les autres, dans le cas d’interactions multiples par croisement de faisceau comme c’est actuellement le cas au LHC avec en moyenne 21 interactions. De plus, les photons convertis en paires ´electron-positron sont discernables via un vertex de conversion, sauf dans des cas particuliers de conversion tr`es tˆot ou tr`es tard et associ´ees `a d’autres traces voisines. Enfin, certaines traces convergent vers des vertex dits d´eplac´es par rapport au vertex primaire. Ces vertex d´eplac´es ou vertex secondaires sont caract´eristiques de la production de quarks b, hadronis´es en m´esons B, dont le temps de vol moyen est de 1.5 ps, ce qui correspond `a quelques mm de distance. La reconstruction de ces vertex secondaires est d´ecisive dans toutes les ´etudes li´ees `a la physique du top car elle permet l’´etiquetage des jets de b, d´ecrit plus loin. L’acceptance du d´etecteur in- terne est de |η| ¬ 2.5. Il est constitu´e d’une r´egion centrale (tonneau) et de 2 extr´emit´es (bouchons).

Figure 2.7 – Sch´ema des diff´erentes parties du d´etecteur interne (gauche) et leurs dimensions caract´eristiques dans la r´egion centrale (droite).

Le d´etecteur interne est structur´e en 3 technologies distinctes : un d´etecteur `a pixels de 7 cm d’´epaisseur, un d´etecteur de traces `a semi-conducteurs large de 20 cm puis un trajectographe `a rayonnement de transition plus cons´equent (53 cm), d´etaill´es ci-apr`es.

Le d´etecteur `a pixels

Figure 2.8 – Plan du d´etecteur `a pixels : couches concentriques dans le tonneau et anneaux dans les bouchons (gauche) photographie r´eelle de la partie centrale lors de l’insertion en 2006 (droite).

Le d´etecteur `a pixels, de par sa proximit´e au point d’interaction, doit pouvoir reconstruire les diff´erents vertex par extrapolation des traces. Le passage des particules est d´etect´e dans chacune des 3 couches segment´ees en pixels dont l’association est capitale dans la recherche des vertex d´eplac´es des m´esons B. Chaque module, visible dans la Figure 2.8, comporte des semi-conducteurs de silicium structur´es en 47 232 pixels de 50 µm× 400 µm, soit pr`es de 80 millions de pixels pour l’ensemble du d´etecteur. La r´egion centrale s’´etend sur |z| ¬ 400.5 mm dans laquelle les trois couches sont positionn´ees `a 50.5 mm, 88.5 mm et 122.5 mm de l’axe. Les bouchons, d’acceptance |η| ¬ 2.5, sont couverts par des anneaux de modules, situ´es `a |z| = 495, 580 et 650 mm. Les semi-conducteurs comportent un milieu actif dans lequel le passage d’une particule cr´ee des paires ´electrons-trous d´erivant vers les extr´emit´es dop´ees. Le bruit thermique est r´eduit en refroidissant l’ensemble `a -7◦C. Une telle technologie poss`ede une r´esolution spatiale de 80 µm en z et de 12 µm en φ.

Le d´etecteur de traces `a semi-conducteurs

Le d´etecteur de traces `a semi-conducteurs est distant du d´etecteur `a pixels de 18 cm. Il est ´equip´e de la mˆeme technologie mais couvre un espace plus important : les 4 couches du tonneau sont situ´ees entre R = 299 mm et R = 514 mm ce qui fait pr`es de 21 cm d’´epaisseur compar´e aux 7 cm du d´etecteur `a pixels. Le bras de levier mesur´e y est alors plus important en raison de sa taille et sa r´esolution touche directement la reconstruction des traces. Dans les bouchons, 9 anneaux sont positionn´es entre z = 853.5 mm et z = 2720.2 mm. Les semi-conducteurs ne sont plus divis´es en pixels mais en bandes le long de l’axe z, de dimensions 12 cm × 80 µm ; chaque module comporte deux ´epaisseurs de semi-conducteurs ´ecart´es d’un angle de 20 milliradians, comportant

chacun 770 bandes. Cette configuration donne une r´esolution spatiale bien meilleure en φ (16 µm) qu’en z (580 µm), ce qui correspond pr´ecis´ement `a la n´ecessit´e de bien mesurer la courbure dans le plan transverse, en φ donc. La structure du d´etecteur `a traces `a semi-conducteurs en couches et en anneaux est visible Figure 2.7.

Le trajectographe `a rayonnement de transition

Situ´e entre R = 554 mm et R = 1082 mm, pour |η| ¬ 2, le trajectographe `a rayonnement de transition effectue la derni`ere mesure de trajectoire avant l’entr´ee dans le calorim`etre. Il est ´equip´e d’une technologie en pailles, environ 36 000, align´ees le long de l’axe z. Celles-ci mesurent 144 cm de long pour la r´egion du tonneau et 37 cm de long dans les bouchons, o`u elles sont plac´ees radiale- ment, comme illustr´e Figure 2.7. Ces pailles sont des tubes `a d´erive en polyamide de 4 mm de rayon, remplis d’un gaz actif compos´e majoritairement de xenon (70 %) et d’un m´elange d´esactivateur constitu´e de CO<sub>2</sub>(27 %) et O<sub>2</sub>(3 %) qui arrˆete les excitations secondaires. Une anode de tungst`ene- or de diam`etre 31 µm est situ´ee au centre du tube et une tension de 1 530 V est appliqu´ee. Entre chaque paille, du polypropyl`ene est ins´er´e. Le principe du rayonnement de transition vient de l’´emission de photons lors du passage d’un milieu `a un autre ayant des constantes di´electriques diff´erentes. Le gaz est ionis´e par ces photons et les ions produits sont collect´es par les ´electrodes. La pr´esence de mousse polypropyl`ene favorise, par de multiples interfaces, l’av`enement de tels rayonne- ments, caract´eristiques de chaque type de particule car reli´es au facteur de Lorentz. Ainsi, un pion charg´e d´epose moins d’´energie qu’un ´electron, ce qui constitue un moyen efficace de discriminer et d’identifier les hadrons et les leptons, avec par exemple une probabilit´e inf´erieure `a 0,001 % de confondre un π± et un e± de pT ¬ 17 GeV en ajoutant les informations du calorim`etre. Les par-

ticules laissent en moyenne 36 points de passage dans les pailles avec une r´esolution de 170 µm en φ.

Performances du d´etecteur interne

Les r´esolutions des diff´erentes parties du d´etecteur interne sont r´esum´ees dans la Table 2.1. Elles sont donn´ees dans le plan transverse Rφ et selon z, suivant les segmentations des couches. L’effi- cacit´e de reconstruction des traces pour 0.5 ¬ p_T ¬ 5 GeV, dans l’acceptance en η du d´etecteur interne sont montr´ees Figure 2.9, ainsi que la r´esolution sur l’impulsion mesur´ee dans les donn´ees cosmiques de 2008 en fonction de pT et η [16].

L’aimant sol´eno¨ıde

Le sol´eno¨ıde est compos´e de cˆables de Niobium-Titane-Cuivre supraconducteurs en-dessous de 10 K assembl´es en un cylindre de 2.3 m`etres de diam`etre sur 6.3 m`etres de long. Il est refroidi `a une temp´erature de 4.2 K, grˆace `a un courant d’h´elium diphasique. Le champ magn´etique obtenu dans le sol´eno¨ıde grˆace `a un courant de 7.7 kA est de 2 T dirig´e le long de l’axe z. Le champ magn´etique

Table 2.1 – Param`etres des diff´erentes sous-parties du d´etecteur interne. Les r´esolutions donn´ees d´ependent de l’angle d’impact et sont donn´ees pour information `a η = 0.

Syst`eme Emplacement R´esolution (µm) Couverture en η 1ere couche du tonneau Rφ=12, z=66 |η| ¬ 2.5

D´etecteur `a pixels Couches 2 et 3 du tonneau Rφ=12, z=66 |η| ¬ 1.7

5 disques bouchons Rφ=12, R=77 1.7 ¬ |η| ¬ 2.5 D´etecteur de traces 4 couches du tonneau Rφ=16, z=580 |η| ¬ 1.4

`

a semi-conducteurs 9 roues bouchons Rφ=16, R=580 1.4 ¬ |η| ¬ 2.5 Trajectographe `a Pailles du tonneau Rφ=170 |η| ¬ 1.4

rayonnement de transition Pailles du bouchon z=170 1.4 ¬ |η| ¬ 2.5

Figure 2.9 – Efficacit´e de reconstruction des traces dans le d´etecteur interne et r´esolution sur l’impulsion des traces en fonction de pT et η [16].

du sol´eno¨ıde est confin´e par les calorim`etres `a tuiles en fer et provoque un retour de flux. Un aper¸cu de l’aimant pesant pr`es de 5,7 tonnes est montr´e Figure 2.10. Sa structure est telle qu’il repr´esente seulement 0.7 X<sub>0</sub> de longueur de radiation de mati`ere. La r´epartition de la mati`ere, hors sol´eno¨ıde, en amont du calorim`etre est aussi repr´esent´ee.

Figure 2.10 – Photographie de l’aimant sol´eno¨ıde d’ATLAS (gauche) et mati`ere pr´esente avant le calorim`etre LAr en fonction de η, exprim´ee en longueurs de radiation X0 [1].