Le Large Hadron Collider (LHC), collisionneur⁽¹⁾ proton sur proton d’énergie de centre de masse de 14 TeV en construction au CERN (Genève), a été conçu comme une machine de découverte. La prise de données au LHC débutera en 2007 et servira notamment à rechercher le boson de Higgs et à tester les modèles décrivant de nouvelles échelles d’énergie, comme la super-symétrie. Six laboratoires⁽²⁾ de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS et le CEA de Saclay sont engagés dans la construction d’ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), l’un des deux détecteurs généralistes qui œuvreront auprès du LHC. Grâce à ce nouveau dispositif, dès 2008, le boson de Higgs ne devrait plus jouer les Arlésiennes !

Construit par une collaboration de 1 500 scientifiques, ATLAS est composé de plusieurs sous-détecteurs : les détecteurs centraux conçus pour identifier les traces très près du point d’interaction des protons ; le calorimètre électromagnétique permettant d’identifier et de mesurer l’énergie des photons et des électrons ; et le calorimètre hadronique. Le tout est entouré par des détecteurs à muons. L’IN2P3 est impliqué dans la conception et la construction de tous les sous-détecteurs, ainsi que dans l’électronique, le software et le système d’acquisition de données d’ATLAS.

La calorimétrie tient un rôle important dans la plupart des analyses de physique, tant du point de vue de la mesure de l'énergie des particules individuelles et de leur identification que celui de la mesure du flot d'énergie total à travers le détecteur. L’IN2P3 et le CEA-Saclay sont engagés dans la construction d'une composante essentielle du système calorimétrique d'ATLAS : le calorimètre électromagnétique (voir encadré). Les deux dernières années ont vu le passage de la phase de conception à celle de construction. Ainsi, environ la moitié des modules du tonneau, le tiers des modules des bouchons et le quart des modules du pré-échantillonneur ont été construits. La fin de la construction est prévue pour la fin 2003.

LE CALORIMÈTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Le calorimètre électromagnétique est fait d’une alternance de plaques de plomb (qui « freinent » les particules) et d'espaces remplis d'argon liquide (où se déposent des charges créées par les particules qui le traversent, recueillies par des électrodes de lecture pour former un signal électrique). Il comporte un cylindre central (tonneau), deux « roues » aux extrémités (les bouchons) et un pré-échantillonneur, pour tenir compte des pertes d'énergie en amont du système. La taille de ce dernier (environ 8 mètres de long sur 4,5 mètres de diamètre), la géométrie en accordéon de ses composants (permettant notamment de réduire les espaces morts), et le nombre élevé de canaux d'électronique (environ 200 000, assurant une fine granularité), sont autant de défis techniques qui ont été relevés.

© CNRS. Un module du calorimètre électromagnétique bouchon prêt pour les tests dans l'argon liquide.

 

L'IN2P3 est également engagé dans l'ensemble cryostats-cryogénie, qui représente une partie importante du détecteur à argon liquide. Les trois cryostats requis supportent le poids des détecteurs et du bain de liquide (plusieurs centaines de tonnes), et isolent sous vide le calorimètre du monde extérieur, la sortie des signaux étant assurée par près de 200 000 traversées étanches. En 2004, un test global à froid intégrant tous les modules câblés du calorimètre dans les cryostats sera effectué avant leur descente dans la caverne d’ATLAS.

Le calorimètre à tuiles scintillantes (calorimètre dit hadronique, TileCal) qui entoure le calorimètre électromagnétique à argon liquide permet la mesure de l'énergie des hadrons (classe de particules dont les plus connues sont les protons et les neutrons) qui ne déposent qu'une partie de leur énergie dans le calorimètre à argon liquide. Le Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand est l’un des acteurs majeurs de la conception et de la construction (assemblage de l'électronique frontale) du TileCal, d’une masse totale de 2 900 tonnes. Environ 80 % des modules du TileCal ont déjà été produits, l’ensemble de la production devant s'achever fin 2003.

Situé au cœur d'ATLAS, le détecteur à Pixels est le premier détecteur rencontré par les particules issues de la collision entre protons et permet de mesurer leurs trajectoires avec une précision de l'ordre d'une dizaine de micromètres. Le Centre de physique des particules de Marseille a été très impliqué dans la conception des cellules de détection et de l’électronique de lecture, particulièrement complexes, dont la production devrait commencer prochainement. Sa participation à ce projet s'oriente maintenant vers l'assemblage mécanique d'une partie du détecteur.

Avec une collision des paquets de protons toutes les 25 nanosecondes, le volume des données générées sera gigantesque. L’IN2P3 (Marseille) contribue au système de sélection de haut niveau des événements ainsi qu’à la définition des moyens nécessaires pour traiter ces données (projet DataGrid). L’enjeu de ce projet est de pouvoir accéder aux moyens de calcul intensif via un réseau à très haut débit et un partage à grande échelle des ressources. Ce projet est né des nécessités des grandes expériences de physique des particules et a aussi vocation à s’ouvrir vers de nombreux domaines scientifiques.

Le détecteur ATLAS au LHC permettra de mesurer les caractéristiques du boson de Higgs avec une grande précision, s’il existe, et sera un puissant outil pour la recherche de nouveaux phénomènes. à noter donc dans les agendas : 2007 devrait être une année phare pour la physique des particules.

1 Avant le LHC, le Large Electron Positron collider (LEP) a permis, entre 1989 et 2000, de mesurer, avec une précision au-delà de toute attente, les paramètres du modèle décrivant les particules élémentaires (le Modèle Standard) ; de prédire ainsi la masse du quark top et celle du boson de Higgs ; et de tester le modèle et ses calculs extrêmement prédictifs.
2 Centre de physique des particules de Marseille (CNRS-Université Aix-Marseille 2), Institut des sciences nucléaires de Grenoble (CNRS-Université Grenoble 1), Laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay (CNRS-Université Paris 11), Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS-Université de Savoie), Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies de Paris (CNRS-Universités Paris 6 et 7), Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (CNRS-Université Blaise Pascal).