Le spectromètre à muons

Grâce à leur faible probabilité d’interaction avec les matériaux composant le système calorimétrique, les muons peuvent traverser celui-ci sans être arrêtés. Le spectromètre à muons [96] a pour fonction de détecter les muons sortant du système calorimétrique. Des aimants toroïdaux sont placés autour du spectromètre afin de courber la trajectoire des muons dans le plan (R, z). De la même façon que pour le détecteur interne, la mesure de la courbure des traces des muons permet de mesurer leur impulsion et leur charge.

Le spectromètre à muons est composé de quatre types de chambres à détection basés sur des technologies différentes. Ces détecteurs, disposés en plusieurs couches dans le tonneau et dans les bouchons, permettent de mesurer la trace des muons dans la région de pseudo-rapidité |η| < 2.7. Les Monitored Drift Tubes (MDT) et les Cathode Strip Chambers (CSC) ont été conçues pour mesurer la trace des muons avec une très bonne résolution spatiale dans le plan (R, z) alors que les Resistive Plate Chambers (RPC) et les Thin

Gap Chambers(TGC) ont été conçues pour détecter les muons avec une très bonne résolution temporelle

tout en donnant une information complémentaire sur leur position. Chaque chambre se base sur le principe d’ionisation pour détecter le passage d’un muon énergétique.

Figure II.11. – Schéma représentant les différents composants du spectromètre à muons ainsi que les aimants toroïdaux [87].

Les MDT permettent de mesurer la trace des muons dans la région en pseudo-rapidité|η| < 2.7 en utilisant la même technique de détection que le TRT (voir Sect. II.2.2). Ses chambres sont composées de tubes d’aluminium de 3 cm de diamètre remplis d’un mélange gazeux composé d’argon/CO₂à 93%/7%. Un fil de tungstène-rhénium de 50 µm de diamètre est placé au centre des tubes et une tension de 3080 V lui est appliquée afin d’être utilisé comme anode. Les tubes sont placés dans la direction transverse, permettant de mesurer la position des muons dans le plan (R, θ) avec une résolution spatiale de 35 µm.

Les CSC sont des chambres à fils de tungstène-rhénium sur lesquels une tension de 1900 V est appliquée.

Les fils sont plongés dans un mélange gazeux composé d’argon/CO₂à 80%/20%. Des plaques de lecture cathodiques sont placées sous chaque rangée de fils, parallèlement ou perpendiculairement à la direction des fils. Installés dans la région de pseudo-rapidité 2 < |η| < 2.7, les CSC ont l’avantage de fonctionner

correctement sous un flux de particules bien plus important que les MDT et ils permettent de connaître la position des muons avec une résolution spatiale de 40 µm dans le plan (R, θ) et de 5 mm dans le plan (R, φ).

Les RPC sont composés de chambres dont chacune est constituée de deux plaques d’électrodes parallèles

et séparées par 2mm de mélange gazeux de C₂H₄F₄/Iso-C₄H₁₀/SF₆à 94.7%/5%/0.3%. Les deux plaques ont une différence de tension de 9.8 kV. Le passage d’un muon produit une avalanche d’électrons qui est récupérée par l’anode sous la forme d’un signal électrique. Les RPC couvrent la région en pseudo-rapidité |η| < 1.05 et possèdent une résolution temporelle de l’ordre de 1.5 ns. Ils donnent également une information sur la position des muons en η et φ.

Les TGC possèdent une technologie similaire aux CSC, ce qui leur donne l’avantage d’être résistant à un

flux important de particules. Ils couvrent la région de pseudo-rapidité 1.05 < |η| < 2.7. À la différence des CSC, la tension appliquée sur les fils est de 2900 V et le gaz utilisé est un mélange de CO₂/n-pentane à 55%/45%. Leur résolution temporelle est bien meilleure avec une valeur de 4ns. Ils permettent aussi de mesurer la position des muons en φ.

II.2.5 Le système de déclenchement

Lors d’une prise de données, environ 40 millions de collisions ont lieu par seconde, ce qui représente une quantité totale de données impossible à traiter pour le système d’acquisition d’ATLAS. L’espace de stockage limité des machines physiques et le temps de traitement des mesures du détecteur pour chaque évènement de collision ne permettent pas d’enregistrer en temps réel les données de toutes les collisions du LHC. De plus, la plupart des collisions sont inélastiques et produisent des particules à faible impulsion transverse qui sont peu intéressantes pour les analyses. Il est donc nécessaire de mettre en place un système

de déclenchementqui pré-sélectionne les évènements en temps réel avant de les enregistrer. Si l’évènement

répond à certains critères motivés par les futures analyses, comme par exemple la présence d’électrons de grande impulsion transverse, le système déclenchera l’enregistrement des signaux du détecteur pour cet évènement. De manière générale, le système de déclenchement est conçu pour avoir un temps de traitement très rapide tout en conservant une grande efficacité pour la sélection des évènements intéressants. Le système de déclenchement du détecteur ATLAS a été réoptimisé pour les prises de données effectuées en 2015 et en 2016. Ses performances ont en effet été adaptées afin de prendre en compte l’augmentation en énergie dans le centre de masse, l’augmentation en luminosité instantanée et l’augmentation en nombre de collisions par croisement de paquets de protons (empilement). Le lecteur pourra trouver davantage d’informations dans les références [97, 98].

Comme représenté sur la Figure II.12, le système de déclenchement est segmenté en deux niveaux : un premier niveau de déclenchement grossier hardware, appelé Level-1 (L1), et un deuxième niveau de déclenchement software plus affiné, appelé High Level Trigger (HLT).

Physiquement installée à la sortie du détecteur, l’électronique associée au premier niveau L1 décide du passage ou non d’un évènement au deuxième niveau de déclenchement HLT en un temps inférieur à 2.5 µs. Le niveau L1 utilise une partie des données mesurées par le système calorimétrique et par le spectromètre à muons. Lors de ce traitement, les évènements sont temporairement sauvegardés dans des mémoires tampons où ils attendent la décision du niveau L1. Un évènement est accepté s’il respecte certains critères de sélection liés à la présence d’un ou plusieurs objets physiques (voir Sect. II.4) satisfaisant un certain seuil sur l’impulsion transverse. Le niveau L1 est optimisé pour réduire le taux d’évènements à environ

Figure II.12. – Schéma représentant le système de déclenchement [97].

75 kHz (avec un maximum possible de 100 kHz). Il a aussi pour fonction de définir des zones d’intérêt dans le plan (η, φ) qui sont par la suite utilisées par le niveau HLT pour détecter et confirmer la présence potentielle d’objets physiques nécessaires pour les analyses.

Le niveau HLT est traité par les serveurs du CERN et est optimisé pour réduire le taux d’évènements à environ 1 kHz (avec un maximum de 1.5 kHz). Le HLT utilise l’ensemble des données du système calorimétrique, du spectromètre à muons et du détecteur interne. Le déclenchement s’effectue en deux étapes avec une première reconstruction rapide et grossière pour rejeter la majorité des évènements non intéressant pour les analyses, et une deuxième reconstruction plus lente mais plus précise afin de trier les évènements restants. Les critères de sélection sont similaires à ceux du niveau L1 mais avec un seuil sur l’impulsion transverse plus strict. Le traitement de chaque évènement est optimisé pour que le niveau HLT prenne une décision en un temps inférieur à 4 s. Si un évènement est accepté par le niveau HLT, il sera définitivement enregistré dans la base de données du CERN. Par contre, s’il a été refusé par le niveau L1 ou par le niveau HLT, il sera effacé.

Le système de déclenchement est organisé en différents menus en fonction du type d’objet(s) physique(s) recherché(s), de leur nombre, de leur seuil sur l’impulsion transverse et d’autres critères de qualité tels que la qualité d’isolation, d’identification, etc. Suivant les types d’états finaux recherchés, un de ces menus ou la combinaison de plusieurs de ces menus est utilisé afin de présélectionner les évènements correspondants. Les menus utilisés dans les analyses présentées dans cette thèse seront détaillés dans le chapitre IV.