ATLAS (détecteur)
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ATLAS (acronyme de Air Toroidal LHC ApparatuS : - dispositif instrumental toroïdal en air pour le LHC - qui utilise un électroaimant toroïdal où le champ magnétique se referme sur lui-même dans l'air, sans l'aide d'un retour de fer[1]) est l'une des 5 expériences du futur collisionneur LHC au CERN. Il s'agit d'un détecteur de particules semblable à CMS, mais de plus grande taille et de conception différente. Il aura pour tâche de détecter le boson de Higgs, des particules supersymétriques (SUSY). Ces dernières sont prédites par la théorie mais n'ont pas été détectées expérimentalement à ce jour.
En novembre 2007, ce super détecteur est l'objet d'essais intensifs et de simulations et son fonctionnement dépend de la mise en route des faisceaux du LHC. Les premiers résultats des mesures sont attendus pendant l'année 2008 lors de la montée en puissance du collisionneur.
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[modifier] Description
[modifier] Structure cylindrique en pelure d'oignon
Il a la forme d'un cylindre de 22 mètres de diamètre pour environ 40 mètres de longueur, et un poids de 7000 tonnes. Il est axé sur la ligne des faisceaux qui la traversent de part en part. La structure solénoïdale doit recouvrir la région dans laquelle les particules sont émises. Le cylindre présente des couches superposées à partir du point de collision. Sur la photographie ci-contre, on distingue les 8 électroaimants supra-conducteurs disposés en « tranches » autour de l'axe central : ils sont refroidis à 1,9° kelvins par du perfluoropropane et destinés à créer un champ magnétique toroïdal de plus de 8 teslas. L'énergie stockée dans ce champ suffirait à faire fondre 50 tonnes de cuivre. Chaque élément de ce détecteur est muni de capteurs très sensibles, pour pouvoir en ajuster l'emplacement à moins de 50 microns près.
Le détecteur est à 80 mètres sous terre , au point 1 du LHC. La salle d'ATLAS a une hauteur de 40 mètres, longueur 55 mètres, largeur 35 mètres. 2 puits verticaux de 80 mètres de profondeur permettent les communications avec la surface. 11000 tonnes de béton ont servi à consolider la voute.
ATLAS est un puzzle technologique géant, constitué essentiellement de 4 couches concentriques (calorimètres) :
- Détecteur interne : c'est un détecteur de traces (trajectographe) en silicium, destiné à suivre le passage des particules dès leur formation; il est cylindrique et structuré en pelure d'oignon associé à un électroaimant solénoïdal interne supraconducteur de 2 mètres de diamètre qui crée un champ de 2 teslas (20000 gauss) et nécessite un courant de 7600 ampères. La bobine de l'électroaimant et le calorimètre sont refroidis par le même cryostat. Il est composé, au centre, d'un détecteur à pixels qui s'étage sur trois couches positionnées à 5,9 et 12 cm de l'axe. Puis le SCT (semiconductor tracker) composé de quatre tonneaux concentriques de deux couches chacun, à 30 et 52 cm des faisceaux , représentant 4088 modules de silicium sur 60 m2. Enfin le TRT (transition radiation tacker) qui est un ensemble de 50000 pailles de 4 mm de diamètre, entre 56 et 107 cm de l'axe.
- Calorimètre électromagnétique : un détecteur de particules électromagnétiques à échantillonnage. Structure en « mille feuilles » et « en accordéon » de plomb (70 tonnes) et d'argon liquide (45 m3). Il forme un tonneau cylindrique de 6,8 m de longueur, avec un rayon interne de 1,15 m et un rayon externe de 2,25 m.
- Calorimètre hadronique : c'est un détecteur de hadrons, particules qui ne sont pas arrêtés par les premiers détecteurs ; de structure cylindrique aussi et pesant 700 tonnes. Son rayon interne est de 2,3 mètres son rayon externe de 4,2 mètres. La partie centrale est formée de 64 modules trapézoïdaux composés de 600 000 plaques de fer de 6 mm d'épaisseur et de 3 mètres de longueur (élément absorbant) et de 400 000 tuiles de scintillateurs en polystyrène transparent de 3 mm d'épaisseur (élément actif). Ces éléments sont perpendiculaires aux faisceaux. La lumière engendrée est proportionnelle à l'énergie déposée par les hadrons dans le scintillateur.
- Un détecteur de muons (à peu près les seules particules à l'atteindre, avec les neutrinos, les autres étant stoppées par les détecteurs intérieurs) : construit autour d'un électroaimant supraconducteur externe composé de 8 modules de tores rectangulaires disposés en étoile. Ils font 25 mètres de long pour les parties les plus externes. Les huit toroïdes engendrent un champ cylindrique qui parcourt l'espace magnétisé en boucle autour de la partie centrale. Les bobines supraconductrices sont maintenues à -268 °C. Le courant qui les parcourt est de 20000 ampères. Ce détecteur externe est composé de chambres à muons qui utilisent la technique des pailles comme le TRT et couvrent 10000 m2.En octobre 2007 les huit roues à muons sont en place. Elles font 25 mètres de diamètre et pèsent entre entre 40 et 50 tonnes. Elles supportent chacunes 80 chambres de précision ou 200 chambres de déclenchement. Il reste à installer deux roues plus petites et les chambres des extrémités.
- Les neutrinos ne sont pas détectés mais on peut calculer leur fuite en mesurant l'énergie manquante dans les événements reconstruits en comparant la somme des impulsions des différentes particules à l'énergie totale fournie par la collision (principe de la conservation de l'énergie).
[modifier] Traversée des particules
| Particules | Trajectographe | Calorimètre électromagnétique | Calorimètre hadronique | Détecteurs de muons |
|---|---|---|---|---|
| Photons | Ionisation | +++ gerbe électromagnétique | ||
| Electrons/positrons | Ionisation | +++ gerbe électromagnétique | ||
| Pions, protons | Ionisation | +++ gerbe hadronique | ||
| Neutrons | +++ gerbe hadronique | |||
| Muons | Ionisation | +++ Impulsion | ||
| Neutrinos |
[modifier] Notes et références
- ↑ François Vannucci , ATLAS - Le nouveau défi des particules élémentaires , Ellipses Ed. , 2007
