Impact des radiations sur le calorimètre en tuiles pendant la course 2 du LHC

L'expérience ATLAS au Grand Collisionneur de Hadron (LHC) est un gros projet en physique des particules qui cherche à explorer plein de questions fondamentales sur l'univers. Un élément crucial de cette expérience, c'est le Calorimètre à Tuiles (TileCal), qui mesure l'énergie des particules comme les hadrons. Quand ces particules interagissent avec le détecteur, ça peut causer un peu d'usure, surtout à cause des Radiations. Cet article parle d'une étude sur comment l'instrumentation optique du TileCal a résisté aux radiations pendant la course 2 du LHC, de 2015 à 2018.

#Qu'est-ce que le Calorimètre à Tuiles ?

Le Calorimètre à Tuiles est la pièce centrale qui mesure l'énergie des particules produites lors des collisions au LHC. Il est composé de plusieurs couches de scintillateurs en plastique et d'acier qui travaillent ensemble pour absorber l'énergie des particules entrantes. Quand une particule frappe le scintillateur, ça produit un éclat de lumière, qui est ensuite collecté par des fibres optiques spéciales et envoyé à des photodétecteurs pour mesure.

Imagine ça comme un "diner" hyper-tech où chaque particule est un client, et les tuiles scintillatrices sont les serveurs qui servent de la lumière au lieu de la nourriture. Chaque serveur collecte des pourboires (signaux lumineux) selon la qualité de son service.

#Composants Optiques en Danger

Comme tu pourrais t'en douter, travailler avec des collisions à haute énergie signifie que le TileCal subit pas mal de radiations. Les scintillateurs et les fibres optiques peuvent être endommagés quand exposés à cette radiation sur le long terme. L'étude a exploré comment ces composants ont tenu le coup dans les conditions extrêmes du LHC.

Les fibres optiques, qui sont responsables de collecter la lumière des scintillateurs, sont un peu comme des fêtards qui absorbent les meilleures histoires des conversations animées. Si la fête dure trop longtemps, elles pourraient commencer à oublier les bons moments.

#Calibration et Suivi

Pour surveiller le bon fonctionnement du TileCal, divers systèmes de calibration et de suivi sont en place. Ça inclut :

• Sources radioactives de césium : Elles fournissent une lumière constante pour les vérifications de calibration.
• Systèmes laser : Ils aident à suivre la réponse des détecteurs.
• Événements de biais minimum : Ce sont des événements aléatoires qui aident à évaluer la performance globale.

Pense à ces systèmes comme à des vérifications régulières dans le diner pour s'assurer que tous les serveurs livrent toujours les plats correctement. Si un serveur commence à se relâcher, il faut que la direction le sache !

#Collecte de Données

Les données pour cette étude viennent de la période de la course 2, qui s’étend de 2015 à 2018. Les mesures prises pendant cette période visaient à évaluer comment la lumière émise par les composants optiques a changé à cause de l'exposition aux radiations.

Les mesures ont montré que plus les tuiles passaient de temps sous radiation, plus leur production de lumière commençait à scintiller, un peu comme les lumières d'un diner qui s'éteignent au fil de la nuit.

#Résultats de l'Étude

La performance du TileCal variait d'une couche à l'autre. La couche A, la plus interne, a été la plus touchée par la radiation, finissant la course 2 avec une perte d'environ 10 % de sa lumière. Les autres couches ont subi beaucoup moins de dégâts, restant souvent dans 1 % de leur performance d'origine.

Il s'avère que la couche A avait presque besoin d'une pause après une longue nuit à servir de l'énergie ! En attendant, les autres couches ont réussi à garder le rythme.

#Scintillateurs de Fissures et d'Espaces

En plus des segments réguliers, il y a des scintillateurs spéciaux pour les espaces et les fissures, qui ont subi des conditions encore plus dures. Les scintillateurs de fentes ont montré environ 12 % de perte de lumière, mais les compteurs de fissures étaient vraiment les divas, souffrant des pertes de 20 % et 30 % pour leurs types respectifs.

La salle de pause du diner était clairement un endroit chaotique, et ces compteurs demandaient sérieusement une rénovation avant la course 3.

#Scintillateurs de Déclenchement de Biais Minimum

Les Scintillateurs de Déclenchement de Biais Minimum (MBTS), qui aident pour le déclenchement et le timing des événements, ont subi une usure significative. Les compteurs internes de ce système ont presque perdu 90 % de leur réponse lumineuse après avoir accumulé une dose de radiation particulièrement élevée pendant la course 2.

Comme si ça ne suffisait pas, ils ont été remplacés pour la course 3 car ils avaient vu des jours meilleurs, un peu comme un chef surmené dans un diner bondé.

#Environnement de Radiation

L'environnement de radiation au LHC est influencé par des collisions à haute énergie qui créent une série de particules secondaires. Environ 50 % de ces particules sont produites dans la zone où le TileCal opère, bien qu'elles ne contribuent qu'à environ 1 % de l'énergie totale des collisions.

Imagine un coin de rue animé où tout le monde discute, mais seulement quelques conversations sont suffisamment bruyantes pour être entendues.

Des simulations ont été utilisées pour estimer la dose d'ionisation totale (TID) subie par les matériaux scintillateurs, révélant que certaines zones recevaient une dose beaucoup plus élevée que d'autres.

#Modèles de Dégradation

Avec les données collectées, les chercheurs ont créé des modèles pour comprendre comment les composants optiques se dégraderaient au fil du temps sous radiation. Ces modèles leur ont permis d'extrapoler la performance future, se préparant à un environnement plus intense attendu lors des prochaines courses.

C'est un peu comme prévoir à quel point le diner sera occupé pendant l'été en se basant sur la fréquentation de l'année dernière.

#Projections Futures

La Phase de Haute Luminosité du LHC devrait délivrer encore plus de radiation, avec une augmentation projetée de la luminosité instantanée par un facteur de sept. Ça veut dire que le TileCal devra être à son meilleur comportement ou risquer de subir une dégradation sérieuse.

Les futures "conditions de restauration" s'annoncent intenses, et les serveurs doivent être prêts pour le rush !

#Conclusion

En résumé, l'étude de l'instrumentation optique du Calorimètre à Tuiles pendant la course 2 du LHC a fourni de précieux éclairages sur comment la radiation impacte la performance de ces composants critiques. Les données collectées et les modèles développés aideront à s'assurer que le TileCal reste robuste, même face aux nouveaux défis de la Phase de Haute Luminosité.

Alors que le diner se prépare pour son prochain gros service, la cuisine doit être approvisionnée avec les meilleurs matériaux pour garantir que chaque client parte heureux, même si ça signifie quelques nouveaux serveurs brillants et quelques menus mis à jour !