Pour le détecteur LHCb du Large Hadron Collider, le deuxième long arrêt en cours (LS2) du complexe d'accélérateurs du CERN sera une période de métamorphose. Après deux collectes de données réussies, le détecteur est en cours de modernisation pour améliorer la précision de ses mesures physiques, dont beaucoup sont les meilleurs au monde. Il y aura donc cinq fois plus de collisions à chaque fois que des paquets de protons se croiseront dans le détecteur après LS2 et la collaboration LHCb prévoit d'augmenter le taux de lecture des données de 1 mégaHertz à la fréquence d'interaction maximale du LHC de 40 mégaHertz (ou toutes les 25 nanosecondes).

En plus de remplacer la quasi-totalité des systèmes électroniques et d'acquisition de données pour faire face à l'énorme augmentation de la production de données, LHCb remplace ses détecteurs de poursuite par de nouveaux, comme le tracker à fibre scintillante, ou de science-fiction. C'est la première fois qu'un tracker aussi grand, avec une petite granularité et une haute résolution spatiale, a été réalisé grâce à cette technologie. Le SciFi sera placé derrière l'aimant dipolaire de LHCb.

Fibres scintillantes, comme le nom le suggère, sont des fibres optiques - à base de polystyrène, dans ce cas, qui émettent des dizaines de photons dans la longueur d'onde bleu-vert lorsqu'une particule interagit avec eux. Des colorants scintillateurs secondaires ont été ajoutés au polystyrène pour amplifier la lumière et la déplacer vers des longueurs d'onde plus longues afin qu'elle puisse atteindre des photomultiplicateurs en silicium sur mesure (SiPM) qui convertissent la lumière optique en signaux électriques. La technologie a été bien testée dans d'autres expériences de physique des hautes énergies. Les fibres elles-mêmes sont légères, ils peuvent produire et transmettre de la lumière dans la fenêtre de 25 nanosecondes et ils sont convenablement tolérants aux rayonnements ionisants attendus à l'avenir.

Chaque fibre scintillante constituant le sous-détecteur a un diamètre de 0,25 mm et une longueur de près de 2,5 m. Les fibres seront emballées dans des modules qui résideront dans trois stations au sein de LHCb, chacun composé de quatre "plans de détection", avec les photomultiplicateurs situés en haut et en bas de chaque plan. "Les fibres ont été minutieusement examinées, enroulé en rubans multicouches, assemblés en modules détecteurs et minutieusement testés, " explique Blake Leverington, qui coordonne une partie du projet SciFi pour LHCb. "Les fibres offrent une précision à un seul coup supérieure à 100 microns et l'efficacité à un seul coup sur la zone du détecteur est supérieure à 99%." Au total, plus de 10 000 km de fibres scintillantes de précision orneront LHCb.

Contrairement aux autres détecteurs du LHC, LHCb est de conception asymétrique et étudie les particules qui volent très près du tube du faisceau après avoir été produites lors de collisions proton-proton. Cependant, l'utilisation d'un détecteur sensible aussi près du tube du faisceau pose ses propres problèmes. Les simulations montrent que les dommages causés par les radiations des débris de collision assombriraient les fibres les plus proches du tube du faisceau jusqu'à 40 % au cours de la durée de vie de LHCb. Cela rendrait plus difficile la transmission de la lumière produite à travers les fibres, mais le détecteur devrait rester efficace malgré cela.

Les photomultiplicateurs situés en haut et en bas de chaque plan de détection SciFi seront bombardés par des neutrons produits dans les calorimètres situés plus en aval. Les dommages causés par le rayonnement entraînent ce qu'on appelle un "bruit sombre", où les électrons excités thermiquement amènent les SiPM à produire un signal qui imite le signal provenant de photons individuels. En plus du blindage placé entre la SciFi et les calorimètres, un système de refroidissement complexe a été développé pour refroidir les SiPM. "Des mesures ont montré que le taux de bruit sombre peut être réduit d'un facteur de deux pour chaque baisse de température de 10 degrés Celsius, " souligne Leverington. Les SiPM ont été montés sur des barres froides spéciales en titane imprimées en 3D qui sont refroidies à -40 degrés Celsius.

« Le projet a bénéficié des contributions de plus d'une centaine de scientifiques, étudiants, ingénieurs et techniciens de 17 instituts partenaires dans 10 pays, " dit Leverington. " Nous avons travaillé ensemble pendant sept ans pour donner vie à la science-fiction. " Actuellement, les modules SciFi, les services et l'électronique sont en cours d'assemblage et d'installation dans les 12 bâtis mécaniques du hall d'assemblage du site LHCb au point 8 de l'anneau LHC. Les premiers composants SciFi devraient être installés au printemps de l'année prochaine.