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Un système de déclenchement à pixels de pointe pour des expériences du LHC

En 2015, le grand collisionneur de hadrons (LHC pour «Large Hadron Collider» en anglais) a commencé à provoquer des collisions de protons avec une énergie inédite de 13 téra-électronvolts. Pour développer le potentiel d'exploration en physique au LHC, des scientifiques, financés par l'UE, ont développé des algorithmes et des outils, basés sur un nouveau système de déclenchement en temps réel doté d'une fonctionnalité de sélection d'évènements et exploitant les informations du détecteur de pixels.
Un système de déclenchement à pixels de pointe pour des expériences du LHC
La découverte du boson de Higgs en 2012 a complété l'ensemble des particules prévues par le modèle standard. Le fonctionnement du LHC avec des énergies plus élevées permettra d'étudier les propriétés du boson de Higgs. Dans les collisions de particules avec les plus hautes énergies jamais obtenues, les physiciens chercheront des indices de l'existence de nouvelles particules qui défient les lois connues de la physique.

Les défis expérimentaux que représente la collision de protons avec une énergie presque deux fois supérieure à celle des expériences antérieures nécessiteront d'améliorer la capacité du solénoïde compact à muons (CMS pour «Compact Muon Solenoid» en anglais) à isoler et à mesurer de manière précise les produits. Des scientifiques financés par l'UE ont contribué de manière significative aux travaux visant à réellement améliorer les performances du CMS sur le déclenchement d'évènements issus de processus physiques encore inconnus.

Les scientifiques actifs dans le projet TAUKITFORNEWPHYSICS (Tau toolkit for opening the new physics window at LHC and possible spin off effects), financé par l'UE, ont joué un rôle essentiel dans le développement d'un système de déclenchement à pixels de niveau 1 pour le CMS. L'algorithme PiXTRK constitue la première tentative pour réaliser la reconstruction des trajectoires en temps réel en utilisant la reconnaissance des formes s'appuyant sur le nombre de détections de pixels (hits).

Pour cela, PiXTRK se base sur la détection de pixels, générée par le système de déclenchement du calorimètre électromagnétique de niveau 1 du détecteur du CMS. En d'autres termes, les groupes de hits du détecteur à pixels sont mis en correspondance avec les groupes identifiés au niveau du calorimètre de niveau 1. La reconnaissance des formes s'effectue en définissant des fenêtres dans les plans transversaux et longitudinaux à l'axe du faisceau, puis en revenant en arrière sur le point du faisceau.

L'application de l'algorithme au système de déclenchement de niveau 1 dans le cas d'électrons a permis de reconstruire les trajectoires de particules à partir des groupes de pixels avec un rendement global supérieur à 95 %, maintenant le seuil de quantité de mouvement des électrons à une valeur de 20 GeV/c, un taux de réduction de 5, sur une grande acceptance angulaire et pour des taux d'empilement élevés. Cela constituait une indication très encourageante du potentiel de performances de ce système de déclenchement.

Les scientifiques ont également contribué à la conception d'un capteur innovant pour détecter et mesurer avec une grande précision les coordonnées des particules chargées en collision. L'APiX (avalanche pixel sensor) est dérivé de la technologie Silicon PM et s'appuie sur l'intégration verticale en 3D de multiples avalanches de pixels, effectuée dans des dispositifs électroniques de lecture totalement numériques sur la même structure.

Lorsque le projet TAUKITFORNEWPHYSICS s'est terminé en 2014, la technologie de production de ce nouveau type de détecteur de radiation ionisante était en cours de développement. Une fois fabriqué, l'utilisation d'APiX permettra de réduire les niveaux de bruit et la consommation d'énergie, ainsi que d'obtenir une grande tolérance aux rayonnements. Les résultats de cette recherche devraient avoir des applications dans des domaines allant des instruments de recherche à la microscopie électronique, en passant par l'imagerie médicale.

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Mots-clés

LHC, modèle standard, physique, solénoïde compact à muons, TAUKITFORNEWPHYSICS