Le trajectographe

Le trajectographe est le détecteur le plus interne, c’est-à-dire le plus proche du point d’interaction. Il permet de reconstruire la trajectoire des particules chargées (cf. figure 4.4). La courbure de ces traces permet de cal-culer l’impulsion des particules. En effet, une charge q se déplaçant dans un champ magnétique (d’intensité B) subit la force de Lorentz. Cette dernière impose un mouvement, donc une trajectoire, hélicoïdale aux particules. La projection d’une telle trajectoire dans le plan transverse du trajectographe représente une spirale dans le cas des basses énergies et un arc de cercle dans

le cas des hautes énergies. La courbure RC est directement proportionnelle à

l’impulsion transverse de la particule : p_t= qBR_C.

La reconstruction des traces demande une très bonne résolution sur leur position d’origine, le germe. Dans ce but, le détecteur de traces est subdivisé en deux parties : le détecteur à pixels et le détecteur à pistes. Chacun d’eux utilise une technologie au silicium.

Le détecteur à pixels

Le détecteur à pixels est composé d’un tonneau et de deux bouchons (cf. figure 4.5 (a)). Le tonneau est constitué de trois couches de détection distantes de 4.4, 7.3 et 10.2 cm de l’axe des faisceaux. Il mesure 53 cm de

46 CHAPITRE 4. LE DÉTECTEUR COMPACT MUON SOLENOID : CMS

Fig. 4.4 – Coupe longitudinale du trajectographe de CMS [47].

long et couvre un angle |η| 6 1. Les bouchons, constitués de deux plans

perpendiculaires aux faisceaux et distants de ±34,5 et ±46,5 cm du centre du détecteur, permettent de couvrir un angle en |η| compris entre 1 et 2,5.

Au total, 65 millions de pixels d’une surface de 125 × 125 µm2 sont utilisés.

Une telle granularité permet d’atteindre une résolution spatiale de l’ordre de 15 µm dans le plan (r,φ) et de 20 µm sur les mesures en z.

L’électronique de lecture de chaque pixel est directement intégrée sur celui-ci sous la forme d’une matrice permettant la lecture analogique de 4160 pixels (cf. figure 4.5 (b)).

Ce détecteur est utilisé pour répondre à trois exigences :

– Séparer spatialement le vertex primaire des vertex secondaires dus aux empilements d’évènements lors d’une collision.

– Determiner les germes des traces, constitués de trois impacts, pour les algorithmes de reconstruction des traces.

– Permettre l’étiquetage des jets issus de quark b en fournissant une mesure très précise de la position des impacts (des particules) les plus proches du point de collision.

Le détecteur à pistes

Autour du détecteur à pixels se trouve le trajectographe à micro-pistes. Il est subdivisé en quatre parties : le tonneau interne (TIB, "Tracker Inner Barrel"), le tonneau externe (TOB, "Tracker Outer Barrel"), les bouchons in-ternes (TID, "Tracker Inner Disks") et les bouchons exin-ternes (TEC, "Tracker

4.1. L’ARCHITECTURE DU DÉTECTEUR 47

(a) (b)

Fig. 4.5 – Vue en 3D du détecteur à pixels (a) et de l’électronique de lecture des modules.

End Cap").

– Le tonneau interne : il est composé de quatre couches cylindriques, de 140 cm de longueur (|z| < 70 cm) et de rayon variant entre 225 mm et 498 mm. Il comporte au total 2724 modules de détection. Les deux couches les plus internes sont constituées de modules stéréo possédant un pas inter-piste de 80 µm. Ces modules présentent deux couches de silicium distantes de 500 µm et désaxées d’un angle de 100 mrad afin d’avoir une résolution de 23 à 34 µm dans le plan (r,φ) et de 230 µm sur l’axe des z. Les deux couches les plus externes accueillent des modules mono possédant une seule couche de silicium. Ces modules présentent des pistes parallèles aux faisceaux dont le pas entre elles est de 120 µm. – Le tonneau externe : il est positionné autour du TIB. Il comporte six couches cylindriques de détection, d’une longueur de 220 cm, et de rayons compris entre 50 et 120 cm. Les modules, au nombre de 5208, ont une épaisseur de 500 µm et un pas inter-piste variant entre 120 et 180 µm. Les deux couches les plus internes possèdent des modules stéréo tandis que les quatre couches externes possèdent des modules mono. La résolution spatiale atteinte par le tonneau externe est de 32 et 52 µm dans le plan transverse (x,y) et 530 µm dans le plan longitudinal. – Les disques internes : ils sont composés de deux groupes répartis

de chaque côté du TIB (70 < |z| < 110cm). Chacun des groupes est constitué de trois disques perpendiculaires à l’axe des faisceaux. Au total le TID possède 816 modules de forme trapézoïdale dont les pistes pointent vers l’axe des faisceaux. Ces modules possèdent un pas inter-piste variant entre 80 et 140 µm et ont une épaisseur de 320 µm. Ils sont répartis, sur les disques, en trois anneaux concentriques d’un rayon

va-48 CHAPITRE 4. LE DÉTECTEUR COMPACT MUON SOLENOID : CMS riant entre 20 et 50 cm. Les deux anneaux les plus internes comportent

des modules de type stéréo. Le couplage du tonneau et des disques

internes permettent de couvrir une zone en |η|6 2,5.

– Les disques externes : ils sont composés de deux groupes de neuf disques répartis de chaque côté du trajectographe (120 < |z| < 280 cm). Les disques possèdent un rayon externe de 120 cm et un rayon interne variant avec la distance selon l’axe z. Le disque de chacun des deux bouchons étant le plus proche du point d’interaction, a un rayon in-terne de 20 cm. Les deux TEC (TEC+ et TEC-) sont composés de modules stéréo et mono dont l’épaisseurs est de 320 ou 500 µm. Leur pas inter-piste varie entre 100 et 180 µm. La couverture en

pseudo-rapidité, comprise entre 0 et 2,5 (|η| 6 2,5), est similaire à celle des

disques internes (TID).

Fig. 4.6 – Photographie des différents types de modules du TOB et du TEC.