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Activités

Démarrage de l’activité R&D pour ILC

Après une discussion menée au sein du laboratoire et plus particulièrement entre les membres de la communauté « quarks et leptons » sur la nécessité de rejoindre les efforts internationaux autour du futur collisionneur linéaire, un groupe de plusieurs chercheurs intéressés par la physique auprès d’une machine e+ e- s’est constitué en 2006.
Avec l’expertise et le savoir faire accumulés par l’IPNL depuis de longues années dans le domaine de la calorimétrie (L3, CMS), le nouveau groupe a naturellement rejoint la collaboration internationale CALICE dont l’objectif est le développement d’une nouvelle génération de calorimètres pour répondre aux défis de précision fixés pour le futur collisionneur.
Le groupe de Lyon s’est impliqué dans le développement d’un calorimètre hadronique de grande granularité ( 10000 canaux/m2) Ce type de détecteur n’est pas seulement un calorimètre mais il est également un imageur permettant, de par sa grande efficacité et sa grande granularité, l’application des algorithmes appelés « particle flow ». Ces algorithmes sont basé sur la possibilité de suivre les particules produites lors de la collision e+ e- dans les différents sous-détecteurs afin de mesurer leur énergie (ou leur impulsion) dans le sous-détecteur le plus approprié.

Afin de réaliser un tel calorimètre à coût raisonnable, le milieu sensible que nous avons proposé est un détecteur gazeux qui a l’avantage d’être d’une grande homogénéité. Un tel calorimètre possédera dans le cadre d’une expérience auprès du futur collisionneur plusieurs dizaines de millions de canaux électroniques. Une lecture digitale serait suffisante si l’on en croit les simulations. Ceci représente une réduction importante des complexités de l’électronique associée ainsi que le coût nécessaire à sa réalisation. Il permet surtout une gestion aisée du flux des données.

Le groupe de Lyon a pris le leadership de ce développement en Europe en coordonnant les efforts européens et en développant essentiellement deux axes de recherche :

Le détecteur gazeux

Le groupe de Lyon s’est impliqué en collaboration avec plusieurs groupes internationaux
russes, italiens, espagnols, belges et chinois à développer une nouvelle génération de détecteurs GRPC (Glass Resistive Plate Chamber) qui doivent répondre aux exigences suivantes dictées par l’herméticité et l’homogénéité requises pour ce détecteur ainsi que par des considérations de coût :

  • des détecteurs d’une très faible épaisseur (<3.5 mm)
  • une multiplicité associée aux mip (particules au minimum d’ionisation) très faible
  • une zone morte réduite
  • une longue stabilité
  • un système de distribution de gaz efficace minimisant le coût des gaz utilisés

Au bout de deux ans de développement, le groupe de Lyon a réussi à construire plusieurs détecteurs dont le plus grand est de 1 m2 . Ces derniers ont été testés avec succès pendant plusieurs campagnes d’exposition aux faisceaux de particules au CERN. Avec les autres groupes mentionnés auparavant, des activités visant à améliorer le taux de détection ainsi que la forme du signal électrique produit dans de tels détecteurs sont actuellement poursuivies.

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Courbe d’efficacité en fonction du potentiel obtenues dans le cas d’une petite chambre GRPC développé à Lyon en utilisant un revêtement résistif élevé
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Courbe de multiplicité en fonction du potentiel obtenues dans le cas d’une petite chambre GRPC développé à Lyon en utilisant un revêtement résistif élevé.

La partie électronique

L’autre aspect développé par le groupe est l’électronique de lecture des GRPC. Deux puces électroniques de 64 voies et à lecture semi-digitale (2-bit) ont été développées en collaboration avec les groupes français du LAL, du LLR et du LAPP. Une puce est destinée à la lecture électronique des détecteurs de type GRPC tandis que l’autre avec un seuil très faible sert à la lecture des détecteurs MICROMEGAS qui est un autre candidat pour un calorimètre hadronique à lecture digitale.

Des cartes électroniques accueillant 4 puces ont été ensuite conçues et réalisées pour être embarquées sur le détecteur. Les puces sont chaînées deux à deux permettant ainsi de réduire le nombre de câbles nécessaire pour sortir le signal. Un système de calibration de l’électronique a été développé au sein du groupe.

Ces cartes ont été utilisées avec succès lors des tests sur faisceaux au CERN

Des nouvelles cartes accueillant jusque 24 puces ont été ensuite développées. En connectant ces cartes deux à deux et en les fixant sur un support en acier conçu et réalisé en collaboration avec le groupe espagnol CIEMAT, nous avons construit une carte de 1 m2 (144 puces et 9216 canaux électroniques) ce qui constitue une première mondiale.
Un système d’acquisition a été développé au sein du groupe pour la lecture de ce détecteur. Ce système s’est inspiré du travail réalisé par le groupe lyonnais impliqué dans l’expérience CMS.
Des tests sur faisceaux ont eu et auront lieu tout au long de 2009 pour confirmer auprès de faisceaux de particules des résultats positifs obtenus au laboratoire sur un banc cosmique.

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Un détecteur GRPC de 1 m2 équipé par la nouvelle électronique (9216 canaux).

Le Futur


A court terme

Le groupe est impliqué dans la réalisation d’un projet ANR-blanc regroupant 4 groupes français (IPNL, LAL, LAPP, LLR) et qui a pour objectif de construire un prototype de calorimètre hadronique à lecture semi-digitale de 1 m3. Il s’agit de construire quarante détecteurs de 1 m2 chacun, intercalés par des plaques d’acier de 2 cm d’épaisseur chacune. Un membre du groupe de Lyon est le coordinateur national de ce projet.


A long terme

Les membres du groupe de Lyon ont participé activement à la rédaction d’une lettre d’intention (LOI) pour la construction d’un détecteur appelé ILD auprès du futur collisionneur ILC. Un membre du groupe de Lyon fait partie du comité exécutif de ce projet qui a recueilli presque sept cent signatures.

Dans ces deux activités, le groupe a participé également et d’une façon active à la mise en place de programmes de simulation permettant d’optimiser le calorimètre hadronique. Ce programme de simulation et de développement d’algorithmes sera poursuivi en vue d’utiliser la lecture semi-digitale afin de minimiser la résolution en énergie du calorimètre.

Stratégie à suivre

Dans le cas d’une réponse positive concernant le projet ILC, le groupe de Lyon s’engagera dans un R&D intensif visant à montrer les performances d’un calorimètre hadronique à lecture semi-digitale avant de participer aux efforts internationaux pour la construction d’un tel détecteur.

Dans le cas d’une réponse négative, le groupe de Lyon envisage de profiter de l’expertise accumulée pour rejoindre les efforts visant à améliorer les qualités des détecteurs nécessaire pour adapter les expériences auprès du LHC à l’éventuelle augmentation de luminosité ou de construire le développement de calorimètre dans les futures expériences auprès du collisionneur CLIC si ce dernier est choisi pour succéder au LHC.