2.2 Le d´etecteur ATLAS
2.2.5 Le spectrom`etre `a muons
chambers chambers chambers chambers Cathode strip Resistive plate Thin gap
Monitored drift tube
Fig. 2.34 – Vue en trois dimensions du spectrom`etre `a muons.
Le rˆole du spectrom`etre `a muons [91, 92] est de d´etecter les muons, de reconstruire leur trace et surtout de mesurer pr´ecis´ement leur impulsion. Ces mesures devront ˆetre ef-fectu´ees avec une grande couverture en pseudo-rapidit´e et une rapidit´e compatible avec le temps de croisement du LHC. L’objectif est d’atteindre une r´esolution de 1% sur l’impul-sion des muons (5-50 GeV) dans la r´egion |η| ≤ 2.7 ; le principal but ´etant la d´ecouverte du boson de Higgs dans le canal `a quatre ou deux muons [93]. Un syst`eme de d´eclenchement performant sera indispensable `a la r´ealisation de ces objectifs.
Le spectrom`etre `a muons d’ATLAS est r´ealis´e de telle sorte qu’il s’imbrique dans l’aimant toro¨ıdal qui fournit le champs magn´etique n´ecessaire pour courber la trajectoire des muons. Le spectrom`etre est form´e d’un tonneau (|η| ≤ 1.0) et de deux bouchons (1.0 ≤ |η| ≤ 2.7). Chacun est constitu´e d’une partie servant `a la d´etection et `a la trajectographie
et d’une partie servant au d´eclenchement (figure 2.34) :
• le tonneau utilise des chambres de tubes `a d´erive, les MDT11, pour la d´etection et des chambres form´ees d’une plaque r´esistive et de gaz, les RPC12, pour le d´eclenchement. • les bouchons d´etectent les muons grˆace `a des MDT dans la r´egion 1.0 ≤ |η| ≤ 2.0 et des chambres `a pistes de cathodes, les CSC13, pour la r´egion de grande pseudo-rapidit´e (2.0 ≤ |η| ≤ 2.7). Des chambres `a fil, les TGC14, sont utilis´ees pour le d´eclenchement.
Le tonneau est form´e de trois couches cylindriques de MDT (figure 2.35) plac´es `a des rayons successifs 5, 7.5 et 10.5 m. Deux chambres RPC sont fix´ees de part et d’autre de la couche centrale et une troisi`eme sur la derni`ere couche alternativement du cˆot´e interne ou du cˆot´e externe (figure 2.35). Le bouchon, pour sa part, est constitu´e de quatre disques de MDT (figure 2.36) et d’un disque de CSC (figure 2.34). Les TGC utilis´ees pour le d´eclenchement sont plac´ees devant et derri`ere le troisi`eme disque de MDT (`a environ z = 14 m). Chaque particule traversera trois couches de chambres.
~5m ~7.5m ~10.5m RPC MDT Aimant toroïdal tonneau z
Fig. 2.35 – Positionnement des chambres MDT et RPC dans le tonneau du spectrom`etre `a muons.
Fig. 2.36 – Sch´ema de la structure de quatre disques de MDT.
Les MDT [94] sont des chambres de tubes `a d´erive en aluminium de 30 mm de diam`etre et de 0.4 mm d’´epaisseur. En leur centre se trouve un fil, form´e `a 97% de tungst`ene (W ) et `a 3% de rh´enium (Re), de 50 µm de diam`etre. L’intervalle entre le fil et la paroi du tube est rempli d’un gaz non-inflammable compos´e de 93% d’Argon et 7% de dioxyde de carbone `a une pression de 3 bars. Une r´esolution de 80 µm par tube est obtenue, insuffisante pour atteindre les objectifs pr´ec´edemment cit´es ; les tubes constituant les MDT seront donc regroup´es par couche : 2 × 4 couches de tubes pour les chambres (ou stations) internes et 2 × 3 couches pour les chambres centrales et externes. La figure 2.37 repr´esente la structure d’une chambre `a 2 × 3 couches de tubes.
11. Monitored Drift Tube 12. Resistive Plate Chamber 13. Cathode Strip Chamber 14. Thin Gap Chambers
Longitudinal beam In-plane alignment
Multilayer Cross plate
Fig. 2.37 – Sch´ema de la structure d’une chambre MDT form´ee de 2 ×3 couches de tubes. Les CSC [95] sont des chambres proportionnelles `a fils (anodes en W +Re) multiples. Les cathodes sont segment´ees en pistes de 1.07 mm de largeur. Elles sont orthogonales aux anodes (diam`etre de 30 µm), comme le montre la figure 2.38, ce qui permet d’atteindre une r´esolution de 60 µm par chambre. Un m´elange gazeux (30%Ar + 50%CO2+ 20%CF4) non-inflammable est utilis´e comme dans les MDT. Le disque de CSC est form´e de 2 × 4 couches de CSC. Anode wires Cathode strips d d W S Wires Strips Rohacell Cathode read-out Spacer bar
Sealing rubber Epoxy Wire fixation bar
Conductive epoxy HV capacitor Anode read-out Gas inlet/ outlet 0.5 mm G10 laminates Nomex honeycomb
Fig. 2.38 – Sch´ema et vue coup´ee de la structure d’une CSC. w = 2s = 2d = 5.08 mm. Les RPC [96] sont des d´etecteurs form´es de plaques r´esistives de bak´elite s´epar´ees par des espaceurs de 2 mm d’´epaisseur. Cet intervalle est rempli d’un m´elange gazeux form´e `a 97% de C2H2F4 et `a 3% de SF6. Le signal est lu par couplage capacitif grˆace `a des pistes de lecture plac´ees de part et d’autre de chaque plaque. D’un cˆot´e, on trouve les
pistes “η”, parall`eles aux fils des MDT, et de l’autre, les pistes “φ” perpendiculaires aux pistes η. Ces pistes “φ” permettent d’obtenir la seconde coordonn´ee. Chaque chambre est constitu´ee de 2 × 2 couches de RPC.
Les TGC [97] ont une structure similaire `a celle des CSC. Elles diff`erent par la distance anode-cathode. Celle-ci est ´egale `a la distance anode-anode (2.54 mm) pour les CSC alors qu’elle est inf´erieure dans le cas des TGC (1.4 et 1.8 mm). Les anodes sont des fils de 50 µm de diam`etre parall`eles aux fils des MDT alors que les cathodes sont des pistes de 1.6 mm de G10 perpendiculaires `a ces derniers, permettant ainsi d’obtenir la seconde coordonn´ee. Chaque plan d’anodes se trouve entre deux plans de cathodes et baigne dans un m´elange gazeux form´e `a 55% de CO2 et `a 45% de n − C5H12. Les TGC sont construites en triplets ou doublets (figure 2.39).
Fig. 2.39 – Sch´ema de la structure d’un triplet et d’un doublet de TGC.
Le tableau suivant donne le nombre de chambres, de canaux et la surface couverte par chaque type de chambre.
MDT CSC RPC TGC
Nombre de chambres 1194 32 596 192
Nombre de canaux de lecture 370000 67000 355000 440000
Surface couverte (m2) 5500 27 3650 2900
Toutes ces chambres devront ˆetre parfaitement align´ees (pr´ecision de 30 µm [98]) pour parvenir aux objectifs pr´ec´edemment donn´es. Un syst`eme optique permettra de surveiller l’alignement des chambres.