Un disque de pixels avant terminé est installé dans son cylindre de service, où il sera éventuellement connecté à l'électronique et au refroidissement. Chacun des 672 capteurs en silicium est connecté à des cartes électroniques via de minces câbles flexibles (vus suspendus sous le disque). Le plan (vu sur le tableau) est important pour acheminer tous les câbles et effectuer les bonnes connexions à l'intérieur du cylindre de service. De gauche à droite :Stéphanie Timpone, Greg Derylo, Otto Allvarez, tout le Fermilab. Crédit :Maximilien Brice, CERN
Parfois, les grandes questions nécessitent de gros outils. C'est pourquoi une communauté mondiale de scientifiques a conçu et construit de gigantesques détecteurs pour surveiller les collisions de particules de haute énergie générées par le Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève, La Suisse. De ces collisions, les scientifiques peuvent retracer les traces du Big Bang et rechercher de nouvelles propriétés de la nature.
L'expérience CMS est l'un de ces détecteurs. En 2012, il a co-découvert l'insaisissable boson de Higgs avec son expérience sœur, ATLAS. Maintenant, Les scientifiques de CMS veulent aller au-delà des lois connues de la physique et rechercher de nouveaux phénomènes qui pourraient aider à répondre à des questions fondamentales sur notre univers. Mais pour ce faire, le détecteur CMS avait besoin d'une mise à niveau.
"Comme tout autre appareil électronique, au fil du temps, certaines parties de notre détecteur s'usent, " a déclaré Steve Nahn, chercheur au Fermilab du département américain de l'Énergie et chef de projet américain pour les mises à niveau du détecteur CMS. « Nous planifions et concevons cette mise à niveau peu de temps après que notre expérience a commencé à collecter des données en 2010. »
Le détecteur CMS est construit comme un oignon géant. Il contient des couches d'instruments qui suivent la trajectoire, l'énergie et la quantité de mouvement des particules produites lors des collisions du LHC. La grande majorité des capteurs du détecteur massif sont entassés en son centre, dans ce qu'on appelle le détecteur de pixels. Le détecteur de pixels CMS utilise des capteurs comme ceux des appareils photo numériques mais avec une vitesse d'obturation ultra-rapide :en trois dimensions, ils prennent 40 millions de photos par seconde.
Depuis plusieurs années, des scientifiques et des ingénieurs du Fermilab et de 21 universités américaines ont assemblé et testé un nouveau détecteur de pixels pour remplacer l'actuel dans le cadre de la mise à niveau du CMS, avec un financement fourni par le ministère de l'Énergie Office of Science et National Science Foundation.
Cela montre la section la plus externe du détecteur de pixels avant. Chaque coin vert est un module de pixel. « Les modules Pixel sont des sandwichs électroniques complexes, », a déclaré Marco Verzocchi. Le capteur de silicium est au milieu, les puces de lecture sont en bas, et le circuit imprimé vert est au dessus. Le 66, 650 pixels et 16 puces de lecture par module sont tous interconnectés par un câblage et une électronique délicats. Les câbles de cuivre flexibles émanant des modules de pixels amènent les données collectées par les capteurs en silicium à l'électronique de lecture (qui sont cachées derrière les couvercles jaunes.) L'objet argenté au milieu de la photographie est le tube de faisceau avec son fil de support en dessous. Crédit :Satoshi Hasegawa, Laboratoire Fermi
Le détecteur de pixels se compose de trois sections :la section de baril la plus interne et deux capuchons d'extrémité appelés détecteurs de pixels avant. La structure à plusieurs niveaux et en forme de boîte offre aux scientifiques une sphère de couverture presque complète autour du point de collision. Parce que les trois détecteurs de pixels s'adaptent sur le tube du faisceau comme trois bracelets volumineux, les ingénieurs ont conçu chaque composant comme deux demi-lunes, qui s'emboîtent pour former un anneau autour du tube de faisceau pendant le processus d'insertion.
Heures supplémentaires, les scientifiques ont augmenté le taux de collisions de particules au LHC. Rien qu'en 2016, le LHC a produit à peu près autant de collisions qu'au cours des trois années de sa première exploitation. Pour pouvoir différencier des dizaines de collisions simultanées, CMS avait besoin d'un tout nouveau détecteur de pixels.
La mise à niveau intègre encore plus de capteurs au cœur du détecteur CMS. C'est comme si CMS passait d'un appareil photo de 66 mégapixels à un appareil photo de 124 mégapixels.
Chacun des deux détecteurs de pixels avant est une mosaïque de 672 capteurs au silicium, une électronique robuste et des faisceaux de câbles et de fibres optiques qui alimentent l'électricité et les instructions et transportent les données brutes, selon Marco Verzocchi, un chercheur du Fermilab sur l'expérience CMS.
Le multipart, Le détecteur de pixels de 6,5 mètres de long est aussi délicat que des spaghettis crus. L'installation des nouveaux composants dans un espace de la taille d'un trou d'homme nécessitait plus que de la finesse. Cela a nécessité des mois de planification et de coordination extrême.
Le détecteur CMS est actuellement ouvert afin que les scientifiques puissent installer le détecteur de pixels au centre même de l'expérience (autour du tube du faisceau). Une grue a fait descendre les six pièces du détecteur de pixels à travers une fosse de 100 mètres de profondeur sur la caverne de CMS. Une deuxième grue l'a ensuite placé sur la plate-forme jaune qui a été spécialement aménagée pour cette installation. Crédit :Maximilien Brice, CERN
"Nous avons pratiqué cette installation sur des maquettes de notre détecteur à plusieurs reprises, " a déclaré Greg Derylo, ingénieur au Fermilab. "Au moment où nous sommes arrivés à l'installation proprement dite, nous savions exactement comment nous devions glisser ce nouveau composant au cœur du CMS."
La partie la plus difficile a été de manœuvrer les composants délicats autour des structures préexistantes à l'intérieur de l'expérience CMS.
"Au total, le détecteur de pixels complet en trois parties se compose de six segments distincts, qui s'emboîtent comme un puzzle cylindrique en trois dimensions autour du tube du faisceau, " a déclaré Stéphanie Timpone, un ingénieur du Fermilab. "Insérer les pièces dans les bonnes positions et dans le bon ordre sans toucher aucun des supports et protections préexistants était une danse bien chorégraphiée."
Pour des ingénieurs comme Timpone et Derylo, l'installation du détecteur de pixels était la dernière étape d'un processus de six ans. Mais pour les scientifiques travaillant sur l'expérience CMS, Ce n'était que le début.
« Maintenant, nous devons le faire fonctionner, " a déclaré Stefanos Leontsinis, chercheur postdoctoral à l'Université du Colorado, Rocher. « Nous passerons les prochaines semaines à tester les composants et à préparer le redémarrage du LHC. »
