Amélioration de la détection des particules : La nouvelle petite roue

Le New Small Wheel est une mise à niveau du Spectromètre à muons de l'expérience ATLAS au CERN. Ce upgrade est nécessaire à cause de l'augmentation des collisions de particules au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Le LHC va fonctionner à une luminosité plus élevée, ce qui veut dire que plus de particules vont entrer en collision chaque seconde, augmentant ainsi le bruit de fond et les faux signaux. Le New Small Wheel a pour but de gérer ce défi efficacement.

#Contexte

Le spectromètre à muons est un composant crucial de l'expérience ATLAS. Il aide à détecter les muons, qui sont des cousines lourdes des électrons. Ces particules sont importantes pour comprendre de nombreux phénomènes en physique. Mais avec l'augmentation du taux de collisions, le bruit de fond augmente aussi, ce qui peut mener à des Détections fausses ou à des "faux tracés."

#Objectifs du New Small Wheel

Le principal objectif du New Small Wheel est de réduire le nombre de faux signaux qu'il détecte. Ça se fait grâce à l'introduction de nouvelles technologies et à une meilleure configuration électronique. Le upgrade va aider à garantir que l'expérience ATLAS puisse mesurer les muons avec précision, même avec les taux de collisions plus élevés attendus au HL-LHC.

#Aperçu technologique

Le New Small Wheel utilise deux types de détecteurs : des détecteurs à bandes résistives et des chambres à espace mince. Ensemble, ces détecteurs possèdent environ 2,45 millions de canaux qui doivent être lus et traités. Le défi est de concevoir un système électronique capable de gérer cette grande quantité de données rapidement et avec précision.

#Conception électronique

Le système électronique du New Small Wheel a été développé sur une décennie. Il comprend plusieurs composants spécialisés conçus pour résister à de hauts niveaux de radiation. Les composants incluent :

• Circuits intégrés spécifiques à une application (ASICs)
• Cartes avant
• Processeurs de déclenchement

Ces composants fonctionnent ensemble pour traiter les signaux des détecteurs et envoyer les données pertinentes au système de déclenchement ATLAS.

#Installation et fonctionnement

Le New Small Wheel a été installé en 2021 et a commencé son intégration dans l'expérience ATLAS pendant la course 3 du LHC. Il est prévu qu'il fonctionne jusqu'à la fin de la course 4 en décembre 2032.

#Spécifications des détecteurs

Le New Small Wheel a une forme ronde, d'environ 10 mètres de diamètre et 1 mètre d'épaisseur. Il contient 16 secteurs, dont la moitié sont petits et l'autre moitié est grande. Chaque secteur est divisé en couches utilisant les deux types de détecteurs. L'agencement est soigneusement conçu pour une performance optimale.

#Exigences de performance

Pour réduire efficacement les faux signaux, le New Small Wheel doit répondre à des critères de performance stricts. Pour les objectifs de déclenchement, il vise une résolution spatiale de 100 micromètres par couche. Ce niveau de précision aidera à fournir une bonne résolution de moment le long du faisceau.

#Mécanisme de déclenchement

Le mécanisme de déclenchement du New Small Wheel est conçu pour identifier rapidement les signaux valides. Il doit reconstruire des segments de tracés pour le système de déclenchement avec une résolution angulaire d'environ 1 milliradian. Pour qu'un segment soit considéré comme valide, il doit se situer dans une plage angulaire spécifique par rapport au point d'interaction.

#Défis

Plusieurs facteurs compliquent la conception de l'électronique du New Small Wheel :

1. Résistance à la radiation : Les composants doivent résister à de hauts niveaux de radiation sur le long terme sans échouer.
2. Latence limitée : L'électronique doit répondre rapidement, avec très peu de délai dans le traitement des signaux.
3. Champs magnétiques : De forts champs magnétiques peuvent interférer avec certains composants, donc un choix minutieux des matériaux est nécessaire.
4. Contraintes d'espace : L'espace dans le détecteur est limité, nécessitant des conceptions compactes et efficaces.

#Traitement des données

Le traitement des données commence à l'avant, où les signaux des détecteurs sont lus. Les données sont ensuite envoyées au contrôleur de lecture (ROC), qui les organise pour une analyse plus poussée. Le ROC peut communiquer avec plusieurs VMMs pour rassembler les informations nécessaires.

#Calibration

La calibration est une partie importante pour garantir des mesures précises. Chaque canal dans les détecteurs est calibré pour s'assurer que les lectures sont correctes. Ça implique d'utiliser des signaux de test et de mesurer la réponse du système.

#Chemin des données de déclenchement

Une fois les signaux traités, ils passent par une série de chemins pour la transmission des données. Différents chemins traitent différents types de signaux, y compris :

• Signaux de déclenchement
• Données de calibration
• Informations de lecture

#Système FELIX

Le Front End Link eXchange (FELIX) joue un rôle crucial dans la gestion du flux de données entre le New Small Wheel et l'expérience ATLAS. Il agit comme un commutateur, dirigeant les données vers les endroits appropriés et assurant une communication efficace.

#Tests et validation

Après l'installation, le New Small Wheel subit des tests approfondis pour valider ses performances. Cela inclut la vérification qu'il peut gérer les taux de collision attendus et identifier avec précision les muons.

#Conclusion

Le New Small Wheel représente une avancée significative dans la capacité de l'expérience ATLAS à étudier les particules fondamentales. En réduisant les faux signaux et en améliorant le traitement des données, le upgrade est crucial pour de futures découvertes en physique des particules. Les capacités de ce nouveau système aideront les chercheurs à obtenir des informations plus profondes sur l'univers et les forces fondamentales en jeu.

#Perspectives d'avenir

Alors que le LHC continue de fonctionner à une luminosité plus élevée, le besoin de systèmes de suivi et de traitement des données efficaces ne fera qu'augmenter. Le New Small Wheel pose les bases pour de futures améliorations, garantissant que l'expérience ATLAS reste à la pointe de la recherche en physique des particules.

#Remerciements

Le développement du New Small Wheel a impliqué la collaboration de nombreuses équipes et institutions. Leurs efforts collectifs ont rendu cette importante mise à niveau possible. Le travail réalisé ici ouvrira la voie à de nouvelles découvertes dans le domaine de la physique des hautes énergies.