Avancées dans la détection de particules à FASER

L'expérience Forward Search (FASER) est un projet au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Son but, c'est de trouver de nouvelles particules légères qui n'interagissent pas beaucoup avec la matière. Les scientifiques pensent que ces particules pourraient aider à expliquer des mystères en physique, comme la matière noire et pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers. FASER est situé à 480 mètres du point de collision des protons dans le LHC.

#Le rôle du détecteur de preshower

FASER a un détecteur de preshower qui utilise un design simple avec du tungstène et des détecteurs scintillants. Son boulot, c'est d'identifier les particules, surtout des photons très proches qui ont une énergie élevée. Mais le setup actuel n'a pas assez de détails pour bien différencier ces particules.

Pour améliorer ça, un nouveau détecteur de preshower en tungstène et en silicium est en développement. Ce nouveau détecteur aidera les scientifiques à repérer des photons proches, qui pourraient provenir de différents types de particules. Il sera composé de plusieurs couches de détecteurs à pixels en tungstène et silicium. La mise à niveau devrait commencer fin 2024.

#Le design du nouveau détecteur de preshower

Le détecteur de preshower amélioré aura six couches de tungstène. Ces couches sont conçues pour capturer les photons efficacement et aider à former des images détaillées des showers électromagnétiques créés quand des particules à haute énergie frappent le détecteur. Chaque couche aura aussi des détecteurs à pixels en silicium pour recueillir des données.

Le design inclut plusieurs modules répartis sur le détecteur. Chaque module contiendra plusieurs puces détectrices à pixels en silicium. Cette structure aidera à minimiser les gaps et à maximiser la zone active pour détecter les particules.

#Développement de l'ASIC

Le nouveau détecteur à pixels en silicium est basé sur une puce spécialisée appelée ASIC, ou Circuit intégré spécifique à une application. Cette puce a été créée grâce à un partenariat entre différentes institutions de recherche et fabriquée avec une technologie avancée.

L'ASIC de production a été testé pour s'assurer que toutes ses parties fonctionnent correctement. Les tests ont montré qu'elle fonctionne comme prévu. Les tailles des pixels et leurs arrangements ont été soigneusement conçus pour garantir qu'ils peuvent mesurer avec précision les signaux générés lorsqu'une particule frappe le détecteur.

#Tester l'ASIC de production

Avant de créer la version finale de l'ASIC, l'équipe a effectué plusieurs tests sur un prototype. Ils ont cherché des problèmes comme le courant de fuite, qui peut faire en sorte que certains pixels soient toujours actifs. Des tests ont été réalisés dans des conditions de température différentes pour voir comment ces facteurs affectent la performance.

Les résultats ont indiqué que certains pixels montraient une baisse du signal après un court laps de temps à cause des fuites. Bien que cela pourrait ne pas impacter des expériences à haute cadence, ça pourrait être significatif pour l'opération à faible cadence de FASER.

Une amélioration a été introduite pour gérer ce problème de fuite. Un nouveau composant agit comme un interrupteur pour rediriger tout courant fuyant là où ce n'est pas voulu, assurant que la puce garde les signaux corrects pendant son opération.

#Fonctionnalité de l'ADC

L'ASIC inclut aussi un ADC, ou Convertisseur analogique-numérique, qui est essentiel pour analyser la force du signal. L'équipe a testé l'efficacité de l'ADC en injectant diverses valeurs de charge et en enregistrant les résultats. Des tests précédents avaient montré une variation dans la réponse des différents pixels à la même entrée de charge, ce qui pourrait affecter l'exactitude des mesures.

Dans le nouvel ASIC de production, l'équipe a cherché à réduire cette variation. Les améliorations du design ont conduit à une réponse plus précise et cohérente entre tous les pixels, rendant le système plus fiable pour les expériences.

#Méthodes de calibration pour des mesures précises

Pour assurer l'exactitude des mesures du détecteur de preshower, un processus de calibration est crucial. Cela implique de vérifier chacun des 432 ASICS dans le détecteur.

La calibration a quatre étapes principales :

1. Définir un seuil global pour chaque ASIC afin de réduire le bruit tout en étant assez sensible pour détecter de vrais signaux.
2. Identifier les pixels bruyants et les masquer, pour qu'ils n'interfèrent pas avec les données.
3. Confirmer le seuil à travers un scan de bruit.
4. Enfin, effectuer une calibration de charge en injectant des charges connues et en enregistrant les résultats.

Deux méthodes sont utilisées pour ce processus de calibration : la méthode de fitting et la méthode d'averaging.

#Méthode de fitting

Dans la méthode de fitting, l'équipe crée une courbe pour relier la charge injectée à la sortie du signal. Ils ajustent ensuite les données pour formuler une fonction à utiliser lors de la collecte de données réelles. Cette méthode permet des ajustements dynamiques basés sur les données collectées.

#Méthode d'averaging

La méthode d'averaging consiste à créer des cartes qui relient la charge et la sortie. Elle cherche des points où la même charge donne la même sortie. Cette méthode identifie dynamiquement les moyennes, aidant à réduire toute variabilité dans les mesures.

#Comparaison des méthodes de calibration

Les deux méthodes de calibration montrent de bonnes performances pour reconstruire les signaux des particules détectées. Cependant, elles ont des atouts différents. La méthode de fitting peut devenir sensible près des points de saturation, ce qui augmente les risques d'erreurs. En revanche, la méthode d'averaging maintient la stabilité et fonctionne mieux sur divers intervalles de charge.

#Conclusion

Le développement du nouveau détecteur de preshower pour l'expérience FASER représente une avancée significative dans la détection des particules. Les améliorations de l'ASIC de production et des méthodes de calibration utilisées aideront les scientifiques à obtenir des mesures plus précises. Ce progrès est essentiel pour explorer les mystères de notre univers, notamment à travers la détection de nouvelles particules.

Le détecteur de preshower amélioré doit être installé dans FASER d'ici fin 2024, marquant une étape importante dans l'amélioration des capacités de l'expérience et contribuant à de futures découvertes en physique des particules.