Le système calorimétrique

Le détecteur ATLAS contient trois types de calorimètre permettant de mesurer la position et l’énergie des photons, des électrons et des jets hadroniques issus des collisions. Ces trois calorimètres sont :

• Le calorimètre électromagnétique qui cible principalement les photons et les électrons dans la région de pseudo-rapidité |η| < 3.2.

• Le calorimètre hadronique qui cible les jets dans la région |η| < 3.2.

• Le calorimètre avant qui cible les photons, les électrons et les jets dans la région 3.1 < |η| < 4.9. La Figure II.8 montre l’agencement de ces trois calorimètres dans le détecteur ATLAS.

Figure II.8. – Vue en coupe du système calorimétrique avec le calorimètre électromagnétique (LAr electromagnetic), le calorimètre hadronique (Tile et LAr hadronic) et le calorimètre avant (LAr forward) [87].

De manière générale, les calorimètres sont construits de façon à alterner des couches de matériau absorbant extrêmement dense avec des couches d’un milieu dit actif. Le matériau absorbant a pour fonction de freiner les particules incidentes. Via différents processus physiques (par exemple par radiation bremsstrahlung), les particules incidentes perdent de l’énergie en émettant d’autres particules qui vont à leur tour interagir avec le matériau absorbant, émettre d’autres particules et perdre de l’énergie, et ainsi de suite. Il se forme alors une gerbe de particules que l’on qualifie de gerbe électromagnétique lorsque la particule initiale est un électron ou un photon ou de gerbe hadronique pour une particule de type hadronique. Le milieu actif permet, quant à lui, de détecter les particules issues de ces gerbes en produisant un signal électrique d’amplitude proportionnel à leur énergie. C’est ce qu’on appelle un dépôt d’énergie. Ces successions de couches de matériau absorbant et de couches de milieu actif sont segmentées spatialement en η et φ afin de mesurer la position des dépôts d’énergie dans le plan (η, φ).

Comme nous le verrons par la suite, différentes technologies sont utilisées pour les trois calorimètres afin de s’adapter au mieux aux types de particules à détecter et aux flux de radiation dus aux collisions. De plus, les calorimètres servent aussi de barrière de protection pour le spectromètre à muons en empêchant les particules autres que les muons de l’atteindre, ce qui nécessite que les calorimètres soient assez denses et épais afin de contenir la totalité des gerbes électromagnétiques et hadroniques.

Le calorimètre électromagnétique [94] est composé d’une partie tonneau couvrant le domaine de

pseudo-rapidité |η| < 1.475 et d’une partie bouchon couvrant 1.375 < |η| < 3.2. Comme montré sur la Figure II.9, il est constitué d’une alternance de couches de plomb (absorbant) et de couches d’argon liquide (milieu actif) disposées selon une structure en accordéon. Cette géométrie lui permet de couvrir toute la région en φde manière parfaitement homogène. L’argon liquide est un élément noble qui s’ionise au passage d’une particule, produisant ainsi des électrons qui sont ensuite captés par des électrodes de cuivre placées au centre de chaque couche d’argon liquide. Ce milieu actif a l’avantage d’être résistant aux radiations dues aux collisions, et de produire une réponse rapide et proportionnelle à l’énergie des particules incidentes. Il est maintenu à l’état liquide à une température de 89 K grâce à un cryostat.

Figure II.9. – Schéma du calorimètre électromagnétique à η = 0 [91]. Les trois couches sont représentées ainsi que la taille des cellules en (η, φ).

Les électrodes sont segmentées en trois couches d’épaisseurs différentes afin de mesurer le profil longitu-dinal des gerbes (voir Fig. II.9). Alors que les deux dernières couches ont un maillage assez grossier, la première couche possède un maillage très fin en pseudo-rapidité η et permet de mesurer avec précision la position des particules incidentes. Le calorimètre électromagnétique possède une épaisseur totale qui varie en fonction de le pseudo-rapidité η afin de contenir au mieux les gerbes électromagnétiques. Son épaisseur est supérieure à 22 X₀dans le tonneau et supérieure à 24 X₀dans les bouchons, où X₀est la longueur de radiation. 1 Une couche additionnelle, appelée pré-échantillonneur, permet de corriger l’énergie perdue par les électrons et les photons dans les matériaux présents devant le calorimètre électromagnétique. Cette couche est seulement constituée d’argon liquide sans matériau absorbant et couvre une région en pseudo-rapidité de |η| < 1.8.

En raison d’une grande quantité de matériaux installée devant le calorimètre électromagnétique dans la région 1.37 < |η| < 1.52, la résolution en énergie des électrons est fortement dégradée dans cette région. Par conséquent, les électrons détectés dans cette région de pseudo-rapidité sont exclus de l’analyse.

Le calorimètre hadronique [95] possède également une partie tonneau et une partie bouchon, avec une

technologie utilisée différente dans les deux parties. La région de pseudo-rapidité |η| < 1.7 est couverte

par un calorimètre hadronique à tuiles scintillantes tandis que la région 1.5 < |η| < 3.2 est couverte par un calorimètre hadronique à argon liquide.

(a) (b)

Figure II.10. – Schéma du calorimètre hadronique (a) tonneau et (b) bouchon [91].

Le calorimètre hadronique à tuiles scintillantes, représenté sur la Figure II.10(a), est constitué de plaques d’acier (absorbant) et d’un matériau scintillant composé de polystyrène dopé au fluor (milieu actif). Après le passage d’une particule hadronique, un rayonnement ultraviolet est émis par l’acier et est capté par les tuiles scintillantes. Ces dernières émettent alors de la lumière qui est ensuite recueillie par des fibres optiques à décalage d’indice reliées à des photomultiplicateurs. Un signal électrique proportionnel à la quantité de lumière capturée est alors mesuré. Comme pour le calorimètre électromagnétique, le calorimètre hadronique est composé de trois couches de longueurs différentes et segmentées en cellules de taille en ∆η × ∆φ de 0.1×0.1 ou 0.2×0.1. La longueur totale du calorimètre est supérieure à 10λ, où λ est la longueur d’interaction. 2

Le calorimètre hadronique à argon liquide, représenté sur la Figure II.10(b), est constitué de plaques de cuivre comme matériau absorbant résistant aux radiations, et d’argon liquide comme milieu actif avec le même principe de détection que dans le cas du calorimètre à argon liquide, mais avec une géométrie plane. Il est composé de deux couches de longueurs différentes et segmentées en cellules de taille en ∆η × ∆φ de 0.1×0.1 ou 0.2×0.2.

Le calorimètre avant [94] a été conçu pour résister à de grandes quantités de radiation dues aux collisions

tout en étant assez dense pour contenir les gerbes électromagnétiques et hadroniques dans le peu d’espace où il est placé. Installé dans la région de pseudo-rapidité 3.1 < |η| < 4.9, ce calorimètre joue un rôle important pour la mesure de l’impulsion transverse manquante. Il est composé de trois couches utilisant l’argon liquide comme milieu actif : la première couche est constituée de plaques de cuivre comme matériau absorbant afin de détecter les gerbes électromagnétiques tandis que les deux autres couches sont composées de plaques de tungstène pour la détection des gerbes hadroniques.

2. La longueur d’interaction est la longueur caractéristique des gerbes hadroniques au même titre que X₀ dans le cas des