Le scientifique place soigneusement les capteurs dans la station de sonde et les teste en appliquant une haute tension à l'aide d'une aiguille. L'équipe doit porter un équipement de protection pour protéger le capteur de la poussière et des rayures. Crédit :Ulysse Fichet/CERN
Dans un spécial, sans poussière, laboratoire propre, à cheval sur la frontière franco-suisse, un groupe de physiciens passe leur temps à sonder des hexagones de silicium de la taille d'une main. Ces hexagones ont une épaisseur d'une fraction de millimètre et sont constitués de plus d'une centaine d'hexagones plus petits, capteurs individuels chacun d'environ un centimètre de diamètre. Avec des couches de métal, les capteurs formeront un nouveau sous-détecteur pour remplacer une partie des calorimètres à capuchon de l'expérience CMS du CERN.
Un calorimètre mesure l'énergie qu'une particule perd lors de son passage. Il est généralement conçu pour arrêter complètement ou "absorber" la plupart des particules provenant d'une collision. Les nouveaux capteurs calorimétriques seront utilisés pour mesurer l'énergie et le temps d'arrivée et pour tracer la trajectoire des particules individuelles qui s'envolent sous forme de débris à partir du point de collision au centre de l'expérience. Une fois en place, ce sera la première fois que ce type de capteur au silicium sera utilisé dans le calorimètre d'un détecteur de particules à une si grande échelle.
Les capteurs font partie d'un projet de mise à niveau plus large pour s'assurer que les expériences sont capables de faire face à un plus grand nombre de collisions de particules à la suite de la mise à niveau du LHC à haute luminosité (HL-LHC) en 2025, et le potentiel accru de découverte qui l'accompagne. La technologie actuelle est basée sur de longues, cristaux clairs de plomb-tungstate conçus pour faire face au rayonnement dans les détecteurs Bien qu'ils fonctionneront bien pour l'ère LHC, jusqu'en 2025, la quantité de rayonnement attendue pendant le HL-LHC assombrira les cristaux jusqu'à ce qu'ils deviennent aveugles aux particules qui les traversent.
Eva Sicking travaille sur la station de sonde. Elle explique :« Actuellement, nous utilisons des aiguilles de sonde individuelles pour contacter la cellule que nous voulons tester et tous ses voisins directs, mais nous développons également une carte de sonde avec de nombreuses broches en dessous afin que nous puissions abaisser la carte et connecter toutes les broches et tester toutes les cellules des capteurs en une seule fois, nous n'aurons donc pas besoin de placer chacune des huit aiguilles individuellement. Crédit :Ulysse Fichet/CERN
« Les cristaux de plomb-tungstate que nous utilisons maintenant sont conçus pour fonctionner à des taux de collision comparables et dans un environnement à faible rayonnement. Avec le HL-LHC, nous aurons des centaines de collisions à la fois, nous avions donc besoin de quelque chose qui puisse résister à l'augmentation du rayonnement et résoudre les averses de particules très proches les unes des autres dans l'espace et le temps, " explique Eva Sicking, le physicien appliqué à la tête de ce projet de capteur au silicium. "Nous voulons pouvoir distinguer les différentes particules que nous voyons, et aussi savoir lesquels sont issus de quelles collisions."
« Ces capteurs fournissent non seulement un système plus résistant aux radiations ; en même temps, ils fournissent également plus d'informations sur l'endroit exact où les particules sont passées. Ils nous fournissent également de très bonnes informations de synchronisation, ainsi nous pouvons déterminer exactement quand cette particule est arrivée, et grâce aux petites cellules, il peut le faire pour de nombreuses collisions en même temps, " poursuit Andreas Maier, qui travaille également sur le projet.
Sandwichs en métal
Les capteurs constituent la partie centrale du nouveau sous-détecteur, qui remplacera l'embout actuel chez CMS, sur la photo. Crédit :David Barney/CERN
Pour s'assurer que les capteurs sont capables de le faire, au lieu de longs cristaux, l'équipe s'éloigne des longs cristaux et construit à la place des sandwichs - des couches du capteur alternant avec des couches d'un métal lourd, comme le plomb.
Pour tester chaque capteur du sandwich, l'équipe utilise une station de sonde spéciale, avec huit aiguilles au-dessus d'une plaque à vide. L'assiette tient le délicat, et cher, capteurs de silicium fermement en place afin que les aiguilles puissent être manœuvrées et abaissées pour se connecter aux plots de contact marqués sur chaque capteur. Ils appliquent ensuite une haute tension au capteur pour enregistrer les données qui seront utilisées pour évaluer la qualité du capteur.
Une équipe de chercheurs de CMS a déjà testé le premier prototype de calorimètre sandwich à particules uniques, mais dans le HL-LHC amélioré, des collisions de particules multiples se produiront en même temps et des centaines de particules de débris traverseront les capteurs en même temps. Le prototype est basé sur du silicium et des métaux denses - l'image montre les couches alternées de métal et le capteur de silicium. Le faisceau de particules ira de la gauche de l'image vers la droite. Crédit :David Barney/CERN
Les instruments sensibles indiquent à l'équipe quel est le courant électrique généré dans le capteur, ainsi qu'une mesure appelée capacité. Si l'un de ceux-ci dépasse un niveau défini, le capteur ne peut pas être utilisé, car cela créera du bruit qui interfère avec les données de toutes les pistes de particules. Si le bruit est trop élevé, les chercheurs peuvent évaluer s'il y a un problème au niveau de la production. Si un problème est détecté, ils retournent voir les fabricants pour s'assurer que tout est réglé avant que les vrais capteurs ne soient mis en production. Tous les capteurs éventuellement utilisés passeront par ce processus, soit au CERN, soit dans d'autres instituts.
Optimisation de la puissance
La mesure du courant est particulièrement importante car elle peut avoir un impact sur la quantité de puissance et d'énergie requise lorsque la machine est en marche.
"Dans un monde idéal, le capteur ne montrerait aucun courant de fuite, mais en réalité, des impuretés sont introduites lors de la fabrication de ces capteurs. Par conséquent, le courant que nous mesurons est un indicateur de la qualité de la production, " Florian Pitters, un autre membre du groupe, explique.
Le logiciel affiche le courant qui traverse chaque capteur, et le carreau composé de plusieurs capteurs plus petits est affiché en bas à droite. Crédit :Andreas Maier/CERN
Le courant de fuite est acceptable en dessous d'un certain niveau, mais il est amplifié lorsque vous ajoutez plus de capteurs ensemble et que le système d'alimentation et de refroidissement doit faire face à une plus grande quantité d'énergie et de chaleur dissipée.
S'il y a un problème dans les capteurs finaux, cela pourrait provoquer un court-circuit de la tuile entière, le rendant inutile. Ces tests sont donc essentiels pour garantir que l'ensemble du système de détection fonctionne au mieux et que ces composants ne créent pas d'obstacles à de futures découvertes.
"Il y a eu des erreurs avec des choses que les gens ne pouvaient tout simplement pas savoir, jusqu'à ce que nous les testions. Nous avons découvert à quelques reprises que les chemins que nous avions l'intention d'emprunter devaient être abandonnés, nous avons donc choisi une nouvelle voie. C'est ainsi que se déroule la recherche, " dit Andréas.
