Les aimants toro¨ıdaux et le spectrom` etre ` a muons

Les muons passent `a travers le calorim`etre en y d´eposant en moyenne 3 GeV d’´energie. Le spectrom`etre `a muons a donc pour but de mesurer leur impulsion et leur charge dans une r´egion

|η| ¬ 2.7. Sa r´esolution de 10 % pour des muons de 1 TeV d’impulsion est motiv´ee par la recherche

de r´esonances exotiques, comme le Z’, qui donnent des muons de tr`es haute ´energie. Le tonneau du spectrom`etre se trouve `a |η| ¬ 1 et ses bouchons couvrent 1 ¬ |η| ¬ 2.7. La d´etection des muons se fait par ionisation dans des chambres de d´etection utilisant 4 technologies diff´erentes.

Le toro¨ıde

Le toro¨ıde courbe les muons selon η. Pour ce faire, le champ magn´etique doit ˆetre circulaire autour du calorim`etre, une solution est donc de positionner des bobines autour du d´etecteur comme illustr´e Figure 2.18. Chaque bobine p`ese pr`es de 100 tonnes et est constitu´ee de cˆables en niobium-

Figure 2.17 – Emplacement des diff´erentes chambres du spectrom`etre `a muons.

titane supraconducteur parcourus par un courant de 20 kA pour produire un champ magn´etique moyen de 0.5 T (avec toutefois des pics `a 4 T). L’´energie magn´etique y est de l’ordre du gi- gajoule ce qui suffisant pour bouger les toro¨ıdes lors de la mont´ee du champ magn´etique. Des soutiens m´ecaniques, les biellettes, soutiennent les bobines pour les empˆecher de s’´ecraser sous la force magn´etique cr´e´ee. Des bobines suppl´ementaires sont positionn´ees au niveau des bouchons, `a 1.6 ¬ |η| ¬ 2.7, intercal´ees avec celles du tonneau.

Figure 2.18 – Positions respectives des toro¨ıdes centraux, des bouchons et du sol´eno¨ıde (gauche) lignes du champ magn´etique dans le plan transverse (droite).

Les chambres `a d´erive de pr´ecision

Le premier type de chambres utilis´ees dans le spectrom`etre `a muons, illustr´e Figure 2.17, est la chambre `a d´erive de pr´ecision. Il s’agit de tubes en aluminium de 3 cm de diam`etre remplis d’un

gaz d’argon (93 %) et de CO₂ (7 %) mis sous une pression de 3 bars. Une ´electrode de tungst`ene- rh´enium (97 %-3 %) est port´ee `a un potentiel de 3 080 V et capture les ´electrons de d´erive (temps maximal de 480 ns) provenant de l’ionisation du gaz par les muons incidents. Ces tubes sont ras- sembl´es dans des modules de 3 × 3 couches dans les bouchons et 4 × 3 couches dans le tonneau. Ces stations sont positionn´ees `a 5 m, 7.5 m et 10 m entre les toro¨ıdes, couvrant jusqu’`a |η| = 2, 7 sauf `a l’int´erieur des bouchons. La r´esolution spatiale est de 80 µm pour chaque tube, 35 µm pour une chambre. Ces modules sont pos´es perpendiculairement au faisceau de sorte que la longueur des tubes soit dans le plan transverse afin de mesurer la position du muon dans le plan (z,y) qui est le plan de courbure de la trajectoire. Le spectrom`etre `a muons comporte 1 088 chambres `a d´erive de pr´ecision qui permettent une reconstruction pr´ecise de la trajectoire des muons en η.

Figure 2.19 – Sch´ema d’une chambre `a d´erive de pr´ecision (gauche) et r´epartition des diff´erentes chambres autour du d´etecteur dans le tonneau (droite).

Les chambres proportionnelles multifils

`

A l’int´erieur des bouchons, le flux de particules est plus ´elev´e qu’au niveau du tonneau et d´epasse le seuil de fonctionnement des chambres `a d´erive de pr´ecision. Celles-ci sont remplac´ees par des chambres proportionnelles multifils qui peuvent supporter un r´egime de 1000 Hz/cm3 contraire- ment aux chambres pr´ec´edentes qui saturent `a 150 Hz/cm3. Les chambres sont remplies d’un gaz d’argon-dioxyde de carbone (80 %-20 %) et comportent des anodes de tungst`ene-rh´enium de 30 µm de diam`etre `a un potentiel de 1 900 V. Ces anodes sont align´ees radialement et ont un couplage capacitif avec des cathodes de lecture dispos´ees de part et d’autre, parall`element ou orthogonale- ment, afin de lire les deux dimensions en η et en φ. Quatre couches constituent un module qui sont assembl´es en deux roues de 8 modules plac´ees dans les bouchons. Une chambre proportionnelle multifils a une r´esolution de 40 µm dans le plan (z,y) et 5 mm en φ.

Figure 2.20 – Sch´ema d’une chambre proportionnelle multifils `a quatre couches (gauche) et exemple de lecture lors de la d´etection d’un muon incident via couplage capacitif (droite).

Les chambres `a plaques r´esistives

Si les deux types de chambres pr´ec´edentes mesurent le passage des muons, il faut des dispo- sitifs suppl´ementaires capable de donner une r´eponse rapide au syst`eme de d´eclenchement. Les chambres `a plaques r´esistives sont constitu´ees de deux plaques parall`eles de plastique recouvertes d’une couche de ph´enolique-m´elaminique maintenues s´epar´ees de 2 mm par une structure en po- lycarbonate remplie d’un gaz de t´etrafluoro´ethane (94.7 %), isobutane (5 %) et hexafluorure de soufre (0.3 %). Un champ ´electrique de 4.9 kV/mm est appliqu´e entre les plaques pour recueillir la cascade d’ionisation cons´equente au passage d’un muon. Des bandes de lectures sont dispos´ees de part et d’autre de la chambre et donnent, par couplage capacitif, des informations sur les directions

η et φ. Chaque module est constitu´e de deux chambres et est plac´e, dans le tonneau, de part et

d’autre de la station centrale de chambre `a d´erive de pr´ecision (`a 7.5 m) ainsi que sur la face externe de la derni`ere couche de station (`a 10 m). Elles apportent ainsi une mesure suppl´ementaire en φ ce que ces chambres ne permettaient pas de faire.

Les chambres `a intervalle fin

Les bouchons, quant `a eux, sont ´equip´es de chambres `a intervalle fin qui sont des chambres pro- portionnelles multifils dont les anodes sont s´epar´ees par 1,8 mm et la distance anode-cathode est de 1,4 mm. Le gaz utilis´e est du dioxyde de carbone `a 55 % et du n-pentane fortement ionisant `a 45 %. Une haute tension de 2 900 V est appliqu´ee, ce qui permet d’avoir un temps de r´eponse plus court qu’avec une chambre proportionnelle multifils ainsi qu’une pr´ecision sur le temps de d´eclenchement inf´erieure `a 4 ns tout en fournissant une mesure de la trajectoire selon φ. Un module comporte 3

ou 4 couches de d´etecteurs. Sept chambres `a intervalle fin sont associ´ees aux chambres centrales proportionnelles multifils tandis que la roue interne est ´equip´ee de deux chambres. La roue externe n’en poss`ede pas, la coordonn´ee azimutale devant ˆetre extrapol´ee depuis les stations centrales, ce qui est possible en raison du faible champ magn´etique `a cet endroit.

Les toro¨ıdes pouvant bouger lors de la mont´ee du champ magn´etique, les chambres `a muons peuvent ne plus ˆetre au mˆeme endroit. Un travail d’alignement est n´ecessaire et s’op`ere en temps r´eel en utilisant des dispositifs optiques permettant de connaˆıtre `a 30 µm les positions relatives des chambres. Cela permet de mesurer la fl`eche de la trajectoire du muon avec une pr´ecision de 50 µm.

Performances des diff´erentes chambres `a muons

La Table 2.5 r´esume les r´esolutions des quatre technologies utilis´ees dans le spectrom`etre `a muons. Pour un muon d’impulsion transverse de 100 GeV, la r´esolution moyenne donn´ee sur sa trace est de 4 %, montant jusqu’`a 10 % pour un muon de 1 TeV, comme montr´e Figure 2.21 o`u est illustr´e le gain en r´esolution lors de la combinaison avec le d´etecteur interne [4].

Table 2.5 – Param`etres des diff´erentes sous-parties du spectrom`etre `a muons.

Syst`eme Type R´esolution Couverture en η

Pr´ecision Chambre proportionnelle multifils η=40µm, φ=5µm, t=7ns 2¬ |η| ¬ 2.7 Chambre `a d´erive de pr´ecision η=35µm |η| ¬ 2.7

D´eclenchement Chambre `a plaques r´esistives φ=10mm, t=1.5ns |η| ¬ 1.05

Chambre `a intervalle fin η=5mm, φ=5mmn t=4ns 1.05 ¬ |η| ¬ 2.4

Figure 2.21 – R´esolution sur l’impulsion transverse des muons en fonction de η et pT. La combi-