1 Plan Comment faire un détecteur (1/2) ? Comment faire un détecteur (2/2) ? Les deux types de détecteurs

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P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 1/33

Plan

I.

Quelques points de physique des hautes énergies

II.

Quelques notions sur les accélérateurs

III.

Energie perdue dans la matière

IV.

Partie active des détecteurs

V.

Identification des particules et reconstitution de traces

VI.

Calorimétrie

VII.

Electronique et système d’acquisition

VIII.

Détecteurs de physique des hautes énergie

Comment faire un détecteur (1/2) ?



On vient de voir comment remplir chaque fonction (mesure de l’énergie, de la masse, de la charge). Il reste à intégrer l’ensemble des « sous- détecteurs » dans un détecteur global



Options :



Position du solénoïde wrt les calorimètres



Forme (octogonale, cylindrique, …)

Schéma type de détecteur sur collisionneur

Comment faire un détecteur (2/2) ?



Certaines mesures sont destructives, d’autres pas



Toutes les particules ne laissent pas de traces dans les couches internes (les neutrinos n’en laissent aucune et sont détectés par leur énergie transverse manquante)

Trajectographe Calorimètre

électromagnétique Calorimètre

hadronique

Chambres à muons ν

Les deux types de détecteurs



Détecteur sur collisionneur (« 4 π multi purpose detector »)



Couverture maximale de l’acceptance



Difficultés d’accès



Maintenance, réparations problématiques



Exemples :



Expériences LEP, LHC, Tevatron, H1, Babar, …



Détecteur sur cible fixe (« spectromètre magnétique »)



Couverture partielle de l’angle solide



Accès beaucoup plus simple



Exemples :



NA49



Et dans une moindre mesure

LHCb

(2)

Les détecteurs sur collisionneur



Détecteurs symétriques



Le référentiel du centre de masse est au repos dans le laboratoire, au moins en moyenne



Exemples :



Particules identiques (à la charge près) d’énergie identique : LEP, LHC, Tevatron



Détecteurs asymétriques



Le référentiel du centre de masse est en mouvement dans le laboratoire



Exemples :



Particules identiques d’énergie différentes : Babar



Particules différentes : H1

Proton (920 GeV) Electron

(27 GeV)

Les diverses configurations de

systèmes magnétiques sur collisionneur



Champ solénoïdal



B élevé à l’intérieur (courbure des muons principalement)



Exemples :



DELPHI (SC – 1,2 T)



L3 (NC – 0,5 T)



CMS (SC – 4 T)



Combinaison d’un champ solénoïdal et d’un champ toroïdal



Le champ peut être plus faible à l’intérieur car un champ extérieur courbe les muons



Exemple (unique) :



ATLAS (SC – 2 T ⊕ 0,6 T)

B

Exemple d’ALEPH à LEPI (1/6)

e

⁺

e

^-

→ Z → e

⁺

e

^-

e

⁺

e

^-

→ Z → µ

⁺

µ

^-

Calorimètre hadronique Calorimètre électromagnétique

Chambres

à muons Détecteur

de traces

Dépôt d’énergie dans les calorimètres

Exemple d’ALEPH à LEPI (2/6)

e

⁺

e

^-

→ q q g → hadrons

e

⁺

e

^-

→ q q → hadrons

(3)

Le détecteur de microvertex de Aleph (3/6)

-10 cm

+10 cm

Le détecteur de microvertex de Aleph (4/6)

-1 cm +1 cm

Exemple d’ALEPH à LEPI (5/6)

Rougé Rougé

Zitoun

Exemple d’ALEPH à LEPI (6/6)

Rougé

(4)

Les détecteurs LHC



Les détecteurs LHC (ATLAS et CMS) nécessitent un tracking performant pour les muons



Les spectromètres à muons sont de dimensions inégalées



Très bonne résolution spatiale

Une série d’évènements dans CMS

Solénoïde Chambres

à muons Retour de fer de l’aimant Calorimètre

hadronique Calorimètre électromagnétique Détecteur

interne

ATLAS

ATLAS ≡ A Toroïdal LHC ApparatuS

Détecteur : L x l

= 44 m x 22 m – 7000 t

Caverne : L x l x h

= 53 m x 30 m x 35 m

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 16/33 Muon detectors Electromagnetic

Calorimeters

Barrel Toroid

Forward Calorimeters End-Cap Toroid Solenoid

Inner Detector Hadronic Calorimeters Shielding 46 m

24 m

• Total weight: 7000 t

• About 10⁸ electronics channels

• 3000 km of cables

ATLAS layout

(5)

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 17/33 Solenoid

Pixel

SCT (Semi Conductor Tracker)

TRT (Transition radiation Tracker)

Inner detector

• Tracking (|η| < 2.5)

• Solenoid: B = 2 T

• Pixels 7 10⁷ channels

• Silicon Tracker (SCT) 6 10⁶ channels

• Transition Radiation Tracker (TRT) 4 10⁵ channels

Inner detector

Status

• All detectors in the pit

• Cabling in progress

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 19/33 Electromagnetic

Electromagnetic calorimeter calorimeter

Hadronic Hadronic calorimeter calorimeter

Several sampling detectors disposed on an inner and an outer cylinder along beam axis

Calorimeter system

• Large coverage (|η| < 4.9)

 EM: Pb-LAr ⊕ Cu-LAr

 Hadronic: Scintillating fibres + Cu/W-LAr

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 20/33 Barrel

Barrel ToroidToroid (8 (8 separateseparate

coils coils))

End-cap Toroid magnet End-cap Toroid magnet (2 x 8

(2 x 8 separate coils separate coils in ain a common common cryostat)cryostat) Solenoid

• 2T field with 38 MJ stored energy

• Integrated design inside the LAr cryostat

Magnet system

Commissioned to 8.0 kA on July 2006 (nominal 7.73 T) Muon pT resolution requirements

• σ(p_T)/p_T < 3% for 10 < p_T < 250 GeV/c and for |η| < 2.7

• σ(pT)/pT = 10% for pT ≈ 1 TeV/c

(6)

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 21/33 Common parameters for toroid magnets

4 T on superconductor Field seen by particles: 0.6-1.5 T 20.5 kA nominal current 4.7 K working point

Barrel Toroid parameters 25.3 m length 20.1 m outer diameter 8 coils 1.08 GJ stored energy

End-Cap Toroid parameters 5.0 m axial length 10.7 m outer diameter 2 x 8 coils 2 x 0.25 GJ stored energy

Magnet system

Status

• BT commissioned on 11/06

• End-Cap Toroid currenly been connected

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 22/33 Precision chambers

• Monitored Drift Tubes (MDT) in the barrel and end-caps

 |η| < 2.0, 1172 chambers, 354000 channels

• Cathode Strip Chambers (CSC) at large rapidity for the innermost end-cap stations

 2.0 < |η| < 2.7, 32 chambers, 31000 channels Trigger chambers

• Resistive Plate Chambers (RPC) in the barrel

 |η| < 1.05, 556 chambers, 374000 channels

• Thin Gap Chambers (TGC) in the end-caps

 1.05 < |η| < 2.4, 3588 chambers, 318000 channels MDTs

CSCs RPCs

TGCs

TGC big wheel

Muon spectrometer

Status

• Barrel: complete

• End-Cap: 70% complete

• Still problem on some HV deliveries

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VIII 23/33 ATLAS cavern : L x W x H = 55 m x 32 m x 35 m

(ATLAS: L x W x H = 46 m x 24 m x 24 m)

ATLAS layout

ATLAS s’installe …

Dans une caverne qui pourrait contenir un immeuble de 5 étages …

Il y a trois ans

(7)

ATLAS s’installe de plus en plus …

Il y a deux ans

ATLAS continue de s’installer …

Démarrage dans quelques mois !

Il y a un an

De l’autre côté

CMS « Compact » car L x l = 22 m x 15 m

wrt ATLAS (44 m x 22 m) – 14500 t CMS ≡ Compact

Muon Solenoid

(8)

LHCb L x l x h = 20 m x 12 m x 12 – 2000 t

ALICE L x l = 25 m x 15 m – 10000 t

Cas particulier des détecteurs de neutrinos (1/2)



Les énergies des particules observées sont très faibles



Exemple de SuperKamiokande

νµ ascendants νµ descendants

Super-Kamiokande

Les neutrinos muoniques se transforment en traversant la terre en d’autres neutrinos 41 m

39 m

1000 m sous terre (mine de Kamioka au Japon)

Cas particulier des détecteurs de neutrinos (2/2)



11000 photomultiplicateurs



Volume du détecteur : 50000 t

(9)

Conclusions



Simplicité de certains détecteurs



Complexité et ingéniosité d’autres



Dans tous les cas, ils sont optimisés globalement (mécanique + électronique + système d’acquisition)



Leur taille augmente généralement avec l’énergie



Le prix également ..

