Les calorim` etres

Base du premier niveau de d´eclenchement du d´etecteur, le syst`eme calorim´etrique a pour fonction principale de permettre une identification des hadrons, ´electrons et photons, ainsi qu’une mesure de leur ´energie et de leur position. Rapidit´e et qualit´e dans cette tˆache sont n´ecessaires ; toutes les 25 ns ces informations doivent ˆetre disponibles. Ceci d´efini la structure g´en´erale et les principales caract´eristiques du syst`eme ainsi que celles de son ´electronique. Une autre fonction importante est la d´etection de photons, avec une pr´ecision suffisante, pour permettre la reconstruction de photons ´energ´etiques ou de π⁰ issus de la d´esint´egration de hadrons beaux.

Fig. 9.5: Sch´ema du calorim`etre ´electromagn´etique

Le syst`eme de calorim`etres peut se d´ecomposer en quatre parties principales : un plan de d´etection de traces charg´ees (SPD, Scintillator Pad Detector) plac´e juste devant un d´etecteur de pied de gerbe ou “preshower” (PS), un calorim`etre ´electromagn´etique (ECAL) et un calorim`etre hadronique (HCAL). Une description d´etaill´ee peut-ˆetre trouv´ee dans la r´ef´erence [126]. Tous ces d´etecteurs utilisent une technologie similaire `a base de cellules scintillantes comme mat´eriau actif, entre-lac´ees de feuilles de plomb ou de fer servant d’absorbeur. La lumi`ere des cellules est extraite `a l’aide de fibres fluorescentes `a d´ecalage de longueur d’onde (WLS).

Ces signaux rapides peuvent ˆetre lus `a chaque croisement de faisceaux i.e. toutes les 25 ns. Ils occupent un espace de 2,69 m le long du tube `a vide, commen¸cant `

a 12,3 m du point d’interaction. La couverture angulaire est de 300 mrad hori-zontalement et 250 mrad verticalement. A petit angle, le bruit de fond augmente rapidement et un trou central de 30 mrad dans les deux directions est laiss´e non instrument´e afin d’´eviter les probl`emes de forte occupation et de radiations. En rai-son de la variation importante de la densit´e de particules, voisine de deux ordres de grandeur, une segmentation lat´erale en trois r´egions a ´et´e retenue pour le PS et ECAL (voir figure 9.5). La taille d’une cellule du ECAL est choisie de sorte que dans la zone interne celle-ci soit proche du rayon de Moli`ere afin que la plupart de l’´energie d’une gerbe isol´ee soit contenue dans quatre cellules adjacentes. Ceci doit permettre de s´eparer les deux gerbes ´electromagn´etiques issues de la d´esint´egration d’un π⁰ ´energ´etique. Ceci conduit `a des cellules de l’ordre de 4 × 4 cm2. La r´egion interm´ediaire est constitu´ee de cellules de l’ordre de 6× 6 cm2, tandis que la taille est port´ee `a 12 × 12 cm2 pour la r´egion externe. La r´epartition des cellules entre les trois zones a ´et´e optimis´ee en conservant comme contrainte un nombre total de cellules voisin de 6000. En raison de la taille plus importante des gerbes hadroniques et des performances plutˆot modestes demand´ees au HCAL, des cellules plus grandes et dispos´ees simplement en deux zones ont ´et´e choisies, 13 × 13 cm2 pour la r´egion interne et 26 × 26 cm2 pour la r´egion externe.

L’acceptance du d´etecteur et la segmentation lat´erale des trois sous d´etecteurs correspondent g´eom´etriquement de fa¸con pseudo-projective afin de permettre une combinaison ais´ee de l’information provenant de la lecture des cellules dans le syst`eme de d´eclenchement. Cette projectivit´e est d´etermin´ee en utilisant la position typique du maximum du d´eveloppement longitudinal d’une gerbe ´electromagn´etique dans le ECAL et hadronique dans le HCAL.

Le SPD et le PS

Seule une tranche de 12 mm d’´epaisseur de plomb, correspondant `a environ 2

X₀, compromis entre de bonnes performances du syst`eme de d´eclenchement et une faible d´egradation de la r´esolution en ´energie du ECAL, diff´erencie leur fonctionna-lit´e. Le SPD, d´etecteur de traces charg´ees, permet de diff´erencier les ´electrons des photons provenant massivement d’un bruit de fond important de π0. Le PS, quant `a lui sert de d´etecteur de pied de gerbe et `a l’aide de cette segmentation longitudinale suppl´ementaire du ECAL permet une meilleure s´eparation ´electron-pion. Ses princi-pales caract´eristiques g´eom´etriques sont donn´ees tableau 9.1. La distance selon l’axe du faisceau entre le centre des plans de scintillateurs du SPD et du PS est de 5,6 cm et de 18 cm entre la premi`ere chambre `a muons et le d´ebut du ECAL.

Ils utilisent le mˆeme type de mat´eriau actif, un plan de cellules de scintillateur de 15 mm d’´epaisseur. Les cellules sont assembl´ees en boˆıtes de ∼ 48 × 48 cm2, li´ees dans un supermodule. Chaque supermodule a une largeur de ∼ 0,96 m pour une

hauteur de∼ 6,5 m. Chaque cellule poss`ede une rainure circulaire en son centre

per-mettant d’abriter une fibre WLS dispos´ee helico¨ıdalement pour collecter la lumi`ere de scintillation produite par le passage d’une particule (figure 9.6). La lumi`ere en

R´egion Dimensions Taille cellules Nombre de cellules (cm) (mm)

Interne 191,4 × 143,5 39,84 1472 Centrale 382,7 × 239 59,76 1792 Externe 765,5 × 622 119,5 2688

Tab. 9.1: Param`etres g´eom´etriques de base du PS

provenance des deux bouts de la fibre est ensuite envoy´ee, via de longues fibres claires (de 0,7 `a 3,5 m), vers des photomultiplicateurs multianodes situ´es en p´eriph´erie du d´etecteur, au dessus et au dessous. Des fibres de mˆeme longueur aboutissent `a un photomultiplicateur multianode. En moyenne, de l’ordre de 25 photo´electrons, sont r´ecolt´es apr`es le passage d’une particule au minimum d’ionisation (MIP) dans une cellule. Les photomultiplicateurs `a 64 anodes de HAMAMATSU sont de bons candi-dats. Chaque pixel a une dimension de 2 × 2 mm2 et permet de recueillir la lumi`ere issue des deux extr´emit´es d’une fibre r´ecoltant la lumi`ere d’une cellule.

PMT

"HELIX" groove "DEEP" groove

1.1 mm

105 mm for 120 mm cell Diameter of fibre’s coil is: 35 mm for 40 mm cell

2.5 mm

1.5 mm

1.1 mm

Fig. 9.6: Sch´ema d’une cellule avec sa fibre `a l’int´erieur d’un prototype de cellule du PS.

Le ECAL

Il est construit selon le principe des “shashlik” ; un ´echantillonage de couches de plomb, de 2 mm d’´epaisseur espac´ees de plaques de scintillateurs de 4 mm. Un total de 66 couches plomb/scintillateur est utilis´e, correspondant `a 25 longueurs de radiation. La lumi`ere est collect´ee par des fibres WLS dispos´ees orthogonalement `a ces plans, soit parall`element au faisceau, 64 pour les cellules constituant la r´egion

externe et 144 pour les deux autres r´egions. Elle est ensuite lue par des photo-multiplicateurs plac´es juste derri`ere. Environ 1000 photo´electrons sont attendus par GeV.

Une r´esolution en ´energie de σ(E)/E = 10%/√

E ⊕ 1, 5% (E en GeV) devrait

ˆetre obtenue.

Le HCAL

La structure choisie est celle d’un calorim`etre `a tuiles fer/scintillateur lues par des fibres WLS, du mˆeme type que celui d’ATLAS (TILECAL). 26 alternances de plaques de fer de 16 mm d’´epaisseur moyenne et de scintillateurs de 4 mm d’´epaisseur moyenne, plac´ees parall`element au faisceau, le constituent. Ceci correspond `a une longueur de 1,2 m et `a environ 5,6 longueurs d’interaction. Comme pour le ECAL, la lumi`ere en provenance des fibres est ensuite lue par des photomultiplicateurs, environ 50 photo´electrons par GeV sont d´elivr´es.

Une r´esolution en ´energie de σ(E)/E = 80%/√

E⊕ 10% (E en GeV) est

atten-due.

Les caract´eristiques principales des calorim`etres sont r´esum´ees dans le tableau 9.2.

Sous-d´etecteur SPD/PS ECAL HCAL Nombre de canaux 2 × 5952 5952 1468 Dimensions lat´erales 6,2 m × 7,6 m 6,3 m × 7,8 m 6,8 m × 8,4 m

globales en x,y

Profondeur en z 180 mm, 835 mm, 1655 mm, 2 X₀, 0,1 λ_I 25 X₀, 1,1 λ_I 5,6 λ_I Demandes de base 20-30 photo´electrons σ(E)/E = σ(E)/E =

par MIP 10%/√

E⊕ 1, 5% 80%/^√E⊕ 10%

Gamme dynamique 0-100 MIP 0-10 GeV E_T 0-10 GeV E_T Tab. 9.2: Principales caract´eristiques de l’ensemble des calorim`etres

A ces calorim`etres est associ´ee une ´electronique rapide afin de pouvoir suivre la fr´equence de collisions de 40 MHz. La pr´ecision n´ecessaire varie suivant le d´etecteur. Des ADC 12 bits sont utilis´es pour digitiser l’information provenant des ECAL et HCAL, 10 bits pour le PS, et un seul bit suffit pour le SPD, un simple discriminateur permet d’indiquer si une cellule a ´et´e touch´ee ou pas.

L’´electronique du PS dont nous avons la responsabilit´e est d´ecrite dans la sec-tion 9.3.