Crédit : CERN
L’expérience ATLAS à CERN accueille un tout nouveau détecteur : le système Muon New Small Wheel. Son installation réussie fait suite à près d’une décennie de conception et de construction, et marque une étape majeure dans l’ère de haute luminosité d’ATLAS.
La mise à niveau à haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons (HL-LHC) augmentera considérablement le taux de collisions dans l’expérience ATLAS. Bien qu’il soit une opportunité pour les physiciens d’explorer certains des processus les plus rares de l’Univers, le taux de collision élevé apporte de nouveaux défis – en particulier, des niveaux de rayonnement plus élevés et beaucoup plus de données. La collaboration ATLAS adapte son expérience pour faire face à ces défis, en mettant à niveau toutes les parties de ses détecteurs avec de nouveaux instruments à la pointe de la technologie.
ATLAS Nouvelles petites roues. Crédit : CERN
« Les nouvelles petites roues Muon (NSW) sont les premiers nouveaux détecteurs d’ATLAS spécialement conçus pour gérer des conditions de luminosité élevée », a déclaré Andreas Hoecker, porte-parole d’ATLAS. « L’installation d’aujourd’hui du deuxième – et dernier – NSW fait suite à près d’une décennie d’efforts dévoués des membres d’ATLAS, qui ont conçu, construit et assemblé ce détecteur de muons de haute technologie à partir de zéro. Ces nouveaux détecteurs élargiront considérablement les capacités de notre expérience, nous préparant aux passionnantes hautes luminosités à venir. »
Technologie de pointe
Le système ATLAS NSW est composé de deux détecteurs en forme de roue, situés aux extrémités opposées de la caverne expérimentale. Nommé en comparaison des détecteurs « grande roue » d’ATLAS de 25 mètres, chaque NSW pèse plus de 100 tonnes et mesure près de 10 mètres de diamètre.
La fonction est plus importante que la taille. Les détecteurs New Small Wheel sont à la pointe de la conception de détecteurs, utilisant deux technologies innovantes de détection de gaz : les micromégas (MM) et les chambres à bande mince à petite bande (sTGC). Ceux-ci offrent des capacités de suivi des muons à la fois rapides et précis. « Cette combinaison de technologies nous permettra d’étudier les particules aux taux élevés attendus du HL-LHC, tout en améliorant également notre résolution spatiale », a déclaré Mario Antonelli, chef du projet de mise à niveau de la phase I de NSW. « Ce sera particulièrement critique pour l’ATLAS »gâchette,” le système qui décide quels événements de collision conserver et lesquels supprimer. Le déclencheur s’appuiera sur l’excellente résolution du NSW pour confirmer si une particule est originaire du point d’interaction, réduisant ainsi nos chances de sauvegarder des données à partir d’événements d’arrière-plan indésirables.
Assemblage des chambres NSW au CERN. Crédit : CERN
Les capacités de lecture de l’ensemble du système sont stupéfiantes : deux millions de canaux de lecture MM et 350 000 canaux de lecture électronique sTGC. Chaque roue comporte 16 secteurs, chacun contenant deux couches de chambres MM et sTGC avec quatre plans de mesure chacune, offrant aux physiciens une redondance utile lorsqu’ils tracent la trace d’un muon à travers les détecteurs.
La danse des détecteurs
Alors que 2021 a vu les détecteurs NSW voyager sous terre, ce n’était pas la première fois qu’ils se déplaçaient ! « L’effort de NSW était multinational, avec des membres de toute la collaboration ATLAS mondiale contribuant à la conception et à la construction », a déclaré Philipp Fleischmann, chef de projet du système ATLAS Muon. « En particulier, les chambres ont été construites dans des instituts de neuf pays : Canada, Chili, Chine, France, Allemagne, Grèce, Israël, Italie et Russie. Les chambres ont ensuite été expédiées au CERN, où elles ont subi des contrôles minutieux avant d’être assemblées en coins et montées sur les roues. Au total, l’équipe a placé 128 MM et 192 chambres sTGC sur les roues.
La première roue entièrement assemblée était NSW « A », achevée en mai 2021. Alors que les travaux sur la deuxième roue se poursuivaient à un rythme soutenu, les équipes ont immédiatement lancé des plans pour amener le détecteur sous terre. Ils fonctionnaient selon un calendrier serré, le calendrier ATLAS et LHC dépendant de la réussite de l’installation des nouvelles roues.
NSW « A » positionné en place à l’intérieur de l’expérience ATLAS. Crédit : CERN
Les petites roues d’origine attendaient dans les coulisses, qui devaient d’abord être retirées du site d’ATLAS pour faire place à leur remplacement. Après une décennie d’excellents services rendus à l’expérience, les roues d’origine ont été officiellement retirées les 2 juillet et 12 octobre, et déplacées dans le bâtiment 191 sur le site du CERN.
Le 6 juillet, le NSW « A » a été conduit du bâtiment 191 au hall de surface d’ATLAS – un voyage prudent de 2 kilomètres qui a duré plusieurs heures. Le 12 juillet, la roue a été descendue dans la caverne d’ATLAS et déplacée dans sa position finale entre le cryostat du calorimètre et le capuchon aimants toriques. Quelques mois plus tard, cette occasion capitale a été répétée pour NSW “C”. La construction ayant été finalisée en septembre, la roue a été transportée sur le site d’ATLAS le 14 octobre. Elle est restée prête à l’emploi en surface pendant deux semaines, tandis que le LHC effectuait un essai de faisceau pilote, avant d’être descendu dans la caverne aujourd’hui.
NSW « C » entre dans le hall de surface d’ATLAS, situé juste au-dessus de l’expérience, le 14 octobre 2021. Crédit : CERN
« Lorsque nous avons décidé de terminer les détecteurs NSW à temps pour l’exécution 3 du LHC (à partir de l’année prochaine), nous savions que ce serait une tâche difficile », déclare Ludovico Pontecorvo, coordinateur technique d’ATLAS. « Le fait que l’équipe ait réussi à maintenir le projet sur la bonne voie – malgré une pandémie mondiale et la perte tragique de leur chef de projet, Stephanie Zimmermann – témoigne de leur incroyable talent et de leur dévouement. »
De nouvelles roues en mouvement
Les détecteurs NSW joueront un rôle déterminant dans la prise de données de la phase 3, car une augmentation modérée de la luminosité est déjà prévue pour le LHC. En attendant de voir les roues en action, la collaboration ATLAS se concentre sur les prochaines améliorations majeures de l’expérience. « Le prochain long arrêt du LHC (LS3, prévu pour 2025) sera le dernier avant le début de l’exploitation du HL-LHC », a déclaré Francesco Lanni, coordinateur de la mise à niveau d’ATLAS. « Nous avons beaucoup à accomplir dans les années qui ont suivi, y compris la construction et l’assemblage d’un tout nouveau système de suivi interne. Mais avec chaque nouvelle mise à niveau, nous nous rapprochons du prochain chapitre de la physique du LHC et des découvertes passionnantes qui pourraient s’y trouver. »
Stéphanie Zimmermann. Crédit : CERN
À la mémoire de Stephanie Zimmermann, chef du projet ATLAS New Small Wheel
La clé du succès de la nouvelle petite roue était son ancienne chef de projet, la physicienne d’ATLAS Stephanie Zimmermann. Sa mort soudaine en novembre 2020 a laissé un trou dans la famille très unie de NSW. Ses collègues ont juré de porter le drapeau en son nom, de terminer le projet en sa mémoire, se consacrant à la réussite du projet aussi complètement qu’elle l’avait fait.
L’impact de Stéphanie sur l’expérience ATLAS s’est étendu bien au-delà du projet clé NSW. Elle a rejoint l’expérience ATLAS en tant qu’étudiante à la maîtrise en 1999, restant avec ATLAS tout au long de sa thèse de doctorat, de sa bourse de recherche au CERN et de son emploi ultérieur en tant que chercheur à l’Université de Fribourg. En tant que chargée de recherche, elle a coordonné les travaux d’intégration du spectromètre à muons. C’est en grande partie grâce à elle que cette tâche a été achevée à temps pour l’installation dans le hall souterrain d’ATLAS. Elle a occupé de nombreux postes importants au sein d’ATLAS, en tant que coordinatrice de l’exécution du système Muon, coordonnatrice de l’exécution d’ATLAS et, depuis 2013, en tant que chef de projet NSW.
Stéphanie était une scientifique exceptionnelle et une personne extraordinaire. Elle était très appréciée pour sa compétence scientifique, sa connaissance approfondie de tous les aspects de ses projets, son engagement et son esprit d’équipe hors pair, ainsi que son soutien et son attention envers ses collaborateurs. Elle a donné l’exemple et continue d’inspirer ses collègues. En son honneur – et souhaitant réaliser son rêve de voir le NSW installé – une photo de Stéphanie a été attachée au NSW “A” alors qu’il était descendu dans l’expérience.
