Le Grand collisionneur de hadrons du CERN est de retour en service après une période d’arrêt technique programmée de trois ans. Des experts ont fait circuler le faisceau dans le puissant accélérateur de particules à la fin du mois d’avril, et la physique du Run 3 a commencé début juillet à l’énergie de collision la plus élevée jamais atteinte.
Les expériences LHC prévoient de collecter des pétaoctets de données pour mieux comprendre la nature à la plus petite échelle. Des milliers de collaborateurs testent le modèle standard de la physique des particules et recherchent de nouvelles physiques, comme la supersymétrie, la matière noire ou les particules non découvertes.
Parallèlement, les chercheurs continuent de préparer la prochaine itération du LHC.
Plus tard cette décennie, les scientifiques commenceront à opérer avec un accélérateur amélioré pour le LHC à haute luminosité, qui fera entrer en collision plus de protons avec plus de luminosité que jamais auparavant. Avec lui, les scientifiques s’attendent à voir au moins cinq à sept fois plus de collisions qu’aujourd’hui. Les chercheurs développent une technologie pour améliorer leurs détecteurs afin qu’ils puissent gérer l’augmentation de la luminosité. Les détecteurs fonctionnent jusqu’à la fin des années 2030 et cumuleront un facteur 20 de données supplémentaires.
L’expérience CMS, qui a co-découvert le boson de Higgs en 2012, avec l’expérience ATLAS, modernise plusieurs systèmes. Des centaines de personnes d’universités et de laboratoires du monde entier, y compris des institutions américaines financées par le Département américain de l’énergie et la National Science Foundation, conçoivent, construisent et installent les nouveaux composants du détecteur. Ces technologies visent à améliorer l’expérience existante, qui fonctionne à ce jour depuis plus d’une décennie.
Les experts procèdent à des mises à niveau dans six domaines clés : le système de suivi, le détecteur de synchronisation, le système de déclenchement et d’acquisition de données, le calorimètre à capuchon, le calorimètre à tonneau et le système à muons. Ces mises à niveau signifient que les scientifiques de CMS peuvent mesurer avec précision et mieux reconstruire la façon dont les particules interagissent dans le détecteur. L’étude de leur comportement peut conduire à de nouvelles idées et à des découvertes potentielles sur le fonctionnement de notre univers.
Le traqueur
Le tracker CMS trace le chemin d’une particule à travers un champ magnétique. Il comporte deux composants : un détecteur de pixels interne et un détecteur de bande externe, qui seront tous deux complètement remplacés. Le tracker est la zone la plus intérieure à moderniser, la plus proche de l’endroit où les protons du LHC entrent en collision. Étant donné que le HL-LHC fera entrer en collision des protons plus rapidement, les trajets de particules commenceront rapidement à s’accumuler.
« Le nouveau détecteur de pixels a une granularité plus fine », a déclaré Anders Ryd, chercheur principal pour les mises à niveau financées par la National Science Foundation et professeur à l’Université Cornell. « Nous avons besoin de taux plus élevés et d’une granularité plus élevée pour qu’ils puissent réellement détecter chaque particule. Sinon, vous avez tellement de particules qui traversent que vous ne voyez qu’un frottis. »
Les collaborateurs ajouteront huit disques dans la région avant du tracker interne, étendant la couverture du détecteur de pixels. Pour gérer les données de tir rapide, l’équipe assemblera et ajoutera des milliers de petits modules au tracker externe. Ils seront équipés de capteurs et de puces de circuits intégrés spécifiques à l’application qui peuvent commencer à filtrer et à réduire les données immédiatement, permettant au tracker externe de traiter les informations à un rythme stupéfiant de 40 millions de fois par seconde.
Détecteur de synchronisation
Les chercheurs de CMS construisent une toute nouvelle couche à l’extérieur du tracker appelée le détecteur de synchronisation Minimum Ionizing Particles, ou MIP. Le détecteur de synchronisation atténue l’empilement, ou un enchevêtrement de chemins de particules, en donnant aux chercheurs des informations sur le moment où une particule est entrée dans le détecteur. L’utilisation d’une précision sans précédent dans la mesure du temps d’arrivée des particules permettra aux chercheurs de distinguer les trajectoires individuelles et de les reconstruire en 4D.
« Nous ajoutons une couche de détection qui nous donnera une mesure temporelle précise des particules chargées individuelles issues des collisions du LHC le long de leur trajectoire », a déclaré Patricia McBride, scientifique au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE qui, élue par 3 000 physiciens dans le CMS international Collaboration au rôle, deviendra chef de la collaboration au début de cet automne. « Cela nous donnera des informations sur le type de particule dont il s’agit et de quelle collision primaire elle provient. Nous pourrons utiliser des informations spatiales et temporelles pour identifier les pistes intéressantes de l’événement. »
Le détecteur de synchronisation a la forme d’un baril avec deux embouts, et son joint hermétique empêchera la perte d’énergie et empêchera la poussière d’entrer. L’équipe de mise à niveau conçoit et construit actuellement des modules, de l’électronique et des logiciels pour ce détecteur de synchronisation.
Déclenchement et acquisition de données
Le déclencheur CMS sélectionne les événements de collision potentiellement intéressants et capture les données pertinentes, en supprimant les événements scientifiquement bénins pour maintenir la quantité de données gérable. Lorsqu’il sera opérationnel, l’un des nouveaux déclencheurs recueillera les informations du tracker externe mis à niveau. Il est important de noter que le nouveau déclencheur utilisera l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique dans son acquisition de données du grand volume de données attendu des collisions du LHC.
« Nous devons introduire une certaine intelligence dans la sélection des événements dès le début », a déclaré Vaia Papadimitriou, responsable adjointe du projet de mise à niveau et scientifique au Fermilab, le laboratoire hôte de la collaboration US-CMS. « Cela nous permet de réduire la quantité de données que nous devons traiter et nous aide à éliminer les signaux de fond qui entraveraient ce que nous essayons réellement d’étudier. »
Les mises à niveau du système d’acquisition de données permettront à l’équipe de collecter des données plus rapidement pour faire face à l’augmentation des taux de collisions du LHC.
Calorimètres
CMS est équipé de calorimètres tonneau et endcap, des détecteurs qui mesurent l’énergie des particules.
Le calorimètre d’extrémité flanque les détecteurs internes et analyse les gerbes de particules provenant des collisions. L’actuel calorimètre endcap sera complètement remplacé par un nouveau calorimètre à haute granularité, ou HGCal, le premier du genre à être utilisé dans une expérience de collisionneur.
Le détecteur aura une excellente résolution temporelle et une résolution spatiale incroyablement fine, qui permettront une reconstruction précise des nombreuses particules produites. Pour le construire, les collaborateurs assembleront des dizaines de milliers de modules avec de petits capteurs en silicium ou à scintillateur. Les modules formeront des centaines de cassettes, qui incorporeront les circuits intégrés et l’électronique qui peuvent traiter les données directement sur le détecteur et les transmettre au système d’acquisition de données.
L’équipe modernise également une partie du calorimètre électromagnétique baril. « Nous allons remplacer ce que nous appelons « l’électronique frontale », le système électronique installé juste là sur le détecteur », a déclaré Paolo Rumerio, coordinateur adjoint de la mise à niveau et physicien à l’Université de l’Alabama. Le nouveau système pourra pour gérer le flux accru de données.
« Ces calorimètres fourniront une mine d’informations qui permettront à CMS de reconstituer des gisements d’énergie, ou des gerbes, provenant de différentes particules », a déclaré Rumerio. « L’énergie et la synchronisation précise de chaque particule peuvent être mesurées et utilisées dans l’analyse des données. »
Muons
La collecte d’informations sur les muons est essentielle pour CMS, comme on peut s’y attendre d’après son nom : Compact Muon Solenoid. Les muons provenant des collisions de particules peuvent voyager assez loin sans interagir, de sorte que cette couche du détecteur se trouve à l’extérieur des calorimètres.
Le nouveau système de muons sera doté d’une électronique améliorée, d’une meilleure résolution temporelle et d’une capacité accrue à détecter les muons sortant du faisceau à un plus large éventail d’angles. Plusieurs nouvelles cartes électroniques assureront le traitement et la lecture des données. Les collaborateurs améliorent également le micrologiciel et le logiciel utilisés pour contrôler l’électronique de ces cartes.
« Le MREFC [Major Research Equipment and Facility Construction project] les mises à niveau prises en charge pour les détecteurs de muons avant comprennent une nouvelle électronique pour prendre en charge les débits de données plus élevés au HL-LHC, ainsi que la lecture de nouveaux détecteurs à multiplicateur d’électrons à gaz qui étendront la couverture du détecteur de muons plus près de la ligne de faisceau », a déclaré Ryd. Ces mises à niveau apporteront une amélioration significative des capacités de détection des muons de CMS. »
Avancer
Aujourd’hui, les mises à niveau du détecteur CMS en sont à différentes étapes, mais toutes suivront un chemin similaire. Après des années de développement et de prototypage, la collaboration passe maintenant à la construction ou à l’acquisition des pièces, commence à fabriquer des composants du système dans différents laboratoires américains, les soumet à des tests rigoureux, puis les livre aux expériences du CERN. Les scientifiques installeront les composants de mise à niveau lors du troisième long arrêt du LHC, actuellement prévu de 2026 à 2028.
Une fois le HL-LHC démarré, le volume de données accru aidera les chercheurs à rechercher des processus physiques rares et à étudier plus avant le boson de Higgs. Les chercheurs pensent que le Higgs fournit le mécanisme par lequel toutes les autres particules obtiennent leur masse, mais les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur l’univers en étudiant la particule avec une plus grande précision.
« Le boson de Higgs est une particule si fondamentale que sa découverte n’est pas assez bonne », a déclaré Papadimitriou. « Nous avons besoin de beaucoup d’informations complémentaires pour étudier toutes les propriétés du boson de Higgs. Et parce que le boson de Higgs est prédit par le modèle standard, si nous trouvons des propriétés différentes de ce que le modèle standard prédit, c’est une percée majeure. »