II.2 ATLAS
II.2.3 Spectrom` etre ` a muons
Les muons de grande impulsion constitueront une des signatures physiques les plus prometteuses et les plus robustes au Lhc. Par exemple, le canal H → ZZ(∗) → 4` est particuli`erement int´eressant pour la d´ecouverte du boson de Higgs. Atlas est donc dot´e d’un syst`eme de d´etection des muons tr`es performant, qui comprend un syst`eme de d´eclenchement (trigger ) `a part enti`ere.
Fig. II.2.16 – G´eom´etrie du syst`eme `a muons d’Atlas, plan longitudinal.
G´eom´etrie Un syst`eme d’aimants toro¨ıdaux supraconducteurs, repr´esent´es sur la figureII.2.18, courbe la trajectoire des muons afin que des chambres de d´etection en
Fig. II.2.17 – G´eom´etrie du syst`eme `a muons d’Atlas, plan transverse.
Fig. II.2.18 – Vue tridimensionnelle du syst`eme d’aimants des chambres `a muons d’Atlas. L’ai-mant bouchon, `a droite, est d´ecal´e de sa posi-tion nominale sur cette repr´esentation.
mesurent pr´ecis´ement l’impulsion et la charge. Dans la r´egion centrale, pour |η| ≤ 1, le champ magn´etique est fourni par un aimant constitu´e par huit bobines toro¨ıdales entourant le calorim`etre hadronique. Pour 1, 4 ≤ |η| ≤ 2, 7, deux aimants plus petits sont ins´er´es dans les bouchons du toro¨ıde. Enfin, la r´egion 1 ≤ |η| ≤ 1, 4 est couverte par la combinaison des deux aimants d´ecrits ci-dessus. Cette configuration permet de produire un champ magn´etique principalement orthognal `a la trajectoire des muons tout en minimisant la d´egradation de la r´esolution caus´ee par la diffusion multiple. Les figures II.2.16 et II.2.17 repr´esentent les ´el´ements principaux du spectrom`etre, dans les plans longitudinal et transverse.
Dans la r´egion du tonneau, les traces sont mesur´ees par des chambres dispos´ees en trois couches (aussi appel´ees stations) cylindriques autour de l’axe du faisceau. Dans la r´egion des bouchons, ainsi que dans la r´egion de transition, les chambres sont install´ees dans le plan transverse, ´egalement en trois stations. Sur pratiquement tout l’intervalle de couverture en pseudorapidit´e, la mesure des coordonn´ees des traces dans la direction principale de courbure du champ est fournie par des chambres appel´ees MDT (pour Monitored Drift Tubes ou tubes `a d´erive contrˆol´ee). `A grande pseudorapidit´e, et dans la r´egion proche du point d’interaction, des chambres avec une plus grande granularit´e – les CSC, pour Cathode Strip Chambers ou chambres proportionnelles `a fils – sont employ´ees, afin de r´epondre au taux plus ´elev´e de muons et aux conditions de bruit de fond plus exigeantes. Enfin, un syst`eme d’alignement optique a ´et´e d´evelopp´e pour atteindre les sp´ecifications rigoureuses sur la pr´ecision m´ecanique et le contrˆole des chambres de pr´ecision.
Le syst`eme de d´eclenchement est ind´ependant des autres sous-d´etecteurs, et couvre l’intervalle de pseudorapidit´e |η| ≤ 2, 4. Des chambres appel´ees RPC (pour Resistive Plate Chambers ou chambres `a plaques r´esistives) sont utilis´ees dans le tonneau, tandis que les bouchons sont instrument´es par des TGC (pour Thin Gap Chambers ou chambres `a espacement fin). Ces deux types de chambres de d´ eclen-chement fournissent aussi une deuxi`eme mesure des coordonn´ees de la trace, dans la direction parall`ele aux lignes de champ (donc orthogonale `a la direction de mesure des MDT).
Fonctionnement Voici un bref descriptif des ´el´ements d´etecteurs d´edi´es aux me-sures de pr´ecision (MDT et CSC) et au d´eclenchement (RPC et TGC) :
MDT Les ´el´ements de base de la d´etection sont des tubes `a d´erive d’aluminium de 30 mm de diam`etre et de 400 µm d’´epaisseur. Ils contiennent un m´elange gazeux ininflammable constitu´e de 91 % d’argon, 5 % de m´ethane et 4 % de diazote port´e `a 3 bar. En leur centre est plac´e un fil en tungst`ene (97 %) et rh´enium (3 %) de 50 µm de diam`etre, qui collecte les charges induites par l’ionisation du gaz. Ces tubes sont assembl´es en stations comportant 2 × 4 couches de tubes pour les chambres internes et 2 × 3 couches pour les chambres externes et celles du milieu (figure II.2.19). La r´esolution typique d’un tube est d’environ 80 µm.
Fig. II.2.19 – Sch´ema d’une chambre MDT rectangulaire constitu´ee de 2 × 3 monocouches, et destin´ee `a ˆetre install´ee dans le tonneau du spectrom`etre. Les chambres destin´ees aux bouchons sont trap´ezo¨ıdales, mais restent de conception similaire.
CSC Ces chambres proportionnelles `a fils sont compos´ees de cathodes d´ecoup´ees en pistes de lecture, orient´ees orthogonalement aux fils d’anode (30 µm de diam`etre, en tungst`ene-rh´enium) (figureII.2.20). L’espacement entre fils est le mˆeme qu’entre anode et cathode (figure II.2.21). Le tout est baign´e dans un
Fig. II.2.20 – Diagramme sch´ematique d’une CSC.
Fig. II.2.21 – Vue ´eclat´ee d’une couche de CSC montrant les d´etails de construction.
m´elange gazeux ininflammable de 30 % d’argon, 50 % de dioxyde de carbone et 20 % de t´etrafluorom´ethane (CF4). Les CSC sont dispos´es en stations de 2 × 4 couches. La r´esolution attendue pour une chambre est inf´erieure `a 60 µm. RPC Les RPC sont des d´etecteurs gazeux fournissant une r´esolution espace-temps de 1 m × 1 ns, avec une sortie num´erique. Un espace gazeux de 2 m est form´e par deux plaques r´esistives en bak´elite de 2 mm d’´epaisseur, s´epar´ees par des ´el´ements isolants. Les ´electrons de l’ionisation primaire initient une avalanche grˆace `a un fort champ ´electrique uniforme (typiquement 4,5 kV/mm). Le gaz ininflammable utilis´e est un m´elange de 97 % de t´etrafluoro´ethane (C2H2F4) et 3 % d’isobutane (C4H10).
Une chambre de d´eclenchement est constitu´ee par deux couches rectangulaires de d´etecteurs. Le signal est lu par couplage capacitif entre les plaques et des pistes m´etalliques plac´ees de chaque cˆot´e du d´etecteur. Les pistes en η sont parall`eles aux fils des MDT et fournissent l’information sur la courbure au syst`eme de d´eclenchement. Les pistes en φ sont orthogonales aux fils des MDT et fournissent la mesure d’une deuxi`eme coordonn´ee, ´egalement n´ecessaire pour la reconstruction hors ligne (off line) des muons, avec une pr´ecision de 5 `a 10 mm.
TGC La conception des TGC est tr`es proche des CSC, `a ceci pr`es que l’´ecartement des fils d’anode est plus large que la distance cathode-anode (figure II.2.22). Le gaz employ´e est un m´elange compos´e `a 55 % de dioxyde de carbone et 45 % de n-pentane (n-C5H12). Le signal des fils d’anode, dispos´es parall`element aux fils des MDT, fournit une information pour le d´eclenchement, tout comme les pistes de lecture orthogonales aux fils. Ces derni`eres servent ´egalement `a fournir la mesure d’une deuxi`eme coordonn´ee. Les TGC sont constitu´es en stations de deux ou trois couches d’´el´ements d´etecteurs (figure II.2.23).
Fig. II.2.22 – Structure d’un TGC montrant les fils d’anodes et les cathodes en graphite. Les pistes de lecture sont orthogonales aux fils.
Fig. II.2.23 – Vue sch´ematique en coupe d’un triplet (`a gauche) et d’un doublet (`a droite) de TGC. La largeur de l’espacement de gaz est repr´esent´ee agrandie.