Les calorimètres

La calorimétrie du détecteur ATLAS repose sur deux sous-systèmes. Le calorimètre électromagnétique permet de mesurer l’énergie des électrons et photons grâce à leurs interactions avec la matière. Le calorimètre hadronique permet

2.2. Le détecteur ATLAS

Figure 2.4 – Schéma du détecteur interne traversé par une particule chargée d’impulsion transverse de 10 GeV dans la partie tonneau (” = 0.3). Elle traverse successivement le tube en beryllium des faisceaux, les 1+3 couches de pixels (avec IBL), les quatre double couches du SCT et environ 36 micro-tubes du trajectographe à rayonnement de transition [67]. (a) | η | 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 X/X 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Up to calorimeter Up to presampler ATLAS Simulation (b)

Figure 2.5 – Quantité de matière traversée par une particule exprimée en unité de longueur de radiation X=X0

au passage au travers du détecteur interne en fonction de la pseudo-rapidité |”| (a), jusqu’au pré-échantillonneur (Pre-Sampler PS ) [70] et au calorimètre électromagnétique EM (b) [71]. IBL non inclus en (b).

d’échantillonner l’énergie des hadrons grâce à leurs interactions avec les noyaux d’un milieu absorbant. Ils permettent d’arrêter toutes les particules à l’exception des muons et neutrinos.

2.2.3.1 Le calorimètre électromagnétique

Le calorimètre électromagnétique du détecteur ATLAS, illustré figure2.6a, est un calorimètre à échantillonage. Le milieu actif, ici de l’argon liquide (Liquid Argon, LAr ), permet d’échantilloner le signal, mais n’est pas assez dense pour arrêter les particules. Il faut intercaler des bandes de milieu absorbeur, ici du plomb. Milieux actif et absorbeur sont disposés en couches successives, agencées en accordéon pour assurer une couverture maximale : symétrie en

ffi sans espace vide dans la direction azimutale. Les particules électromagnétiques (électrons/positrons et photons)

interagissent avec les noyaux atomiques du plomb, créant des cascades d’électrons et photons d’énergie de plus en plus faible, jusqu’à atteindre l’énergie d’ionisation de l’argon. Les électrons issus de ces ionisations dérivent vers des électrodes. Le signal reçu est proportionnel au nombre d’électrons atteignant l’électrode et donc à l’énergie initiale. Le calorimètre électromagnétique se compose de trois ensembles :

— la partie tonneau (appelée EMB, B pour barrel ) : |”| < 1:475, composée de 16 modules couvrant chacun une région ∆ffi = 22:5°. Le tonneau est long de 6.8 m pour des rayons interne et externe de 1.15 m et 2.25 m ; — deux bouchons4permettent de fermer ce cylindre (EMEC, EC pour end-cap) : 1:375 < |”| < 3:2. Chaque

bouchon est composé d’une roue externe, couvrant 1:375 < |”| < 2:5 et une roue interne, avec 2:5 < |”| < 3:2 ; — une partie avant (forward ) permettant la couverture de la région 3:1 < |”| < 4:9.

La partie centrale permet des mesures de précision (|”| < 2:5). Elle est composée d’un pré-échantilloneur, couvrant la région |”| < 1:8, permettant de mesurer les pertes d’énergie en amont du calorimètre, et de trois couches de granularités différentes comme illustré figure2.6b. La partie tonneau a une granularité réduite dans la région de transition avec les parties bouchons. La première couche a une segmentation latérale (selon |”|) très fine avec des cellules de dimensions ∆” × ∆ffi = 0:025=8 × 0:1 (dans la partie tonneau) et couvre une région |”| < 1:4 et 1:5 < |”| < 2:4. Le détail de toutes les granularités et couvertures en ” est donné table2.2pour les parties tonneau et bouchons. Ces cellules sont appelées des "bandes" ("strips") par leur segmentation en |”| et permettent de distinguer des particules proches à l’entrée du calorimètre, comme deux photons issus de la désintégration d’un pion neutre ı0. La seconde couche a des cellules de ∆” × ∆ffi = 0:025 × 0:025 et permet avec une longueur de 11X0 de mesurer la majeure partie de l’énergie des gerbes. Elle est aussi utilisée pour les décisions de déclenchement d’acquisition des évènements avec la combinaison de 4 × 4 tours de déclenchement (trigger towers), intégrées sur les trois couches et le pré-échantillonneur. La troisième couche voit encore sa granularité diminuer : ∆” × ∆ffi = 0:05 × 0:025.

La résolution relative sur la mesure de l’énergie d’un électron ou d’un photon peut être paramétrée comme [72] :

ffE E ⁼ a √ E⊕ ^b E⊕ c: (2.1)

Les paramètres a, b et c dépendent de ” : a est le terme d’échantillonage, b le terme de bruit et c le terme constant. Le terme d’échantillonage contribue principalement à basse énergie et s’exprime comme 10%=pE [GeV]. a augmente à plus haut |”| avec l’augmentation de quantité de matière devant le calorimètre (c.f. figure 2.5). Le terme de bruit est approximé par 350 × cosh(”) [MeV] [72] pour un amas de cellules dans la partie tonneau du calorimètre électromagnétique et un taux d’empilement moyen h—i = 20. À haut |”|, b est dominé par le bruit d’empilement. Pour des hautes énergies, l’importance relative des termes a et b diminue et devient asymptotiquement nulle. c détermine alors la résolution et, est par construction, de l’ordre du pourcent [72]. L’uniformité du terme constant c est impactée par les espacements entre les plaques de plomb, par des non-uniformités de calibration, de la reconstruction du signal, de l’électronique. . .

2.2.3.2 Le calorimètre hadronique

Le calorimètre hadronique mesure la position et l’énergie des jets de hadrons issus de la fragmentation et hadronisation des quarks et gluons.

Il se compose de trois sections :

2.2. Le détecteur ATLAS

2008 JINST 3 S08003

Figure 1.3: Cut-away view of the ATLAS calorimeter system.

Calorimeters must provide good containment for electromagnetic and hadronic showers, and must also limit punch-through into the muon system. Hence, calorimeter depth is an important design consideration. The total thickness of the EM calorimeter is > 22 radiation lengths (X0) in the barrel and > 24 X0in the end-caps. The approximate 9.7 interaction lengths (l) of active calorimeter in the barrel (10l in the end-caps) are adequate to provide good resolution for high-energy jets (see table1.1). The total thickness, including 1.3l from the outer support, is 11 l at h = 0 and has been shown both by measurements and simulations to be sufficient to reduce punch-through well below the irreducible level of prompt or decay muons. Together with the large h-coverage, this thickness will also ensure a good Emiss

T measurement, which is important for many physics signatures and in particular for SUSY particle searches.