Dans les ruches installées sur le domaine du CERN, des abeilles font équipe pour construire, cellule après cellule, les rayons en cire. Il est remarquable que la forme de ces cellules, hexagonales, est celle qui permet de contenir le plus grand volume de miel pour une quantité donnée de cire. Non loin de là, une équipe tout aussi affairée de scientifiques vient d’assembler d’autres cellules hexagonales pour former le premier prototype de « cassettes » pour les nouveaux calorimètres bouchons de CMS.

Ces cassettes, en forme de secteurs de disque (autrement dit, de portions de camembert), serviront à construire les calorimètres à haute granularité (dits HGCAL) de CMS ; ceux-ci seront les plus grands détecteurs au silicium jamais construits. Les deux bouchons seront installés de part et d’autre du détecteur CMS, en remplacement des bouchons existants. Ils seront prêts pour le démarrage du LHC à haute luminosité, prévu en 2030.

Comme l’explique Dimitra Tsionou, physicienne à l’Université nationale de Taïwan, le nouveau calorimètre représente un progrès significatif dans la technologie des détecteurs : « HGCAL est en quelque sorte un calorimètre en 5 dimensions : il permet une reconstitution spatiale en 3 D, il enregistre l’énergie et il a une très bonne résolution temporelle ».

Le calorimètre pourra ainsi faire face à l’augmentation considérable du nombre de particules à enregistrer qu’entraînera le passage au HL-LHC. Le HL-LHC produira 4 ou 5 fois plus de collisions quasi-simultanées que le LHC actuel. Cette luminosité plus élevée permettra d’observer davantage de processus rares. On aura donc 140 à 200 collisions quasi-simultanées, 40 millions de fois par seconde. C’est beaucoup plus que ce que peuvent traiter les détecteurs bouchons actuels de CMS.

En outre, les bouchons devront être capables de résister à des niveaux de rayonnement plus élevés. Le calorimètre HGCAL devra supporter ces conditions difficiles, maintenir une aussi bonne résolution que les détecteurs actuels mais présenter une identification des particules améliorée et une performance supérieure des systèmes de déclenchement.

Les collisions de particules produisent de nouvelles particules, dont beaucoup pénètreront dans les bouchons et pourront être détectées par HGCAL. Les collisions seront réparties dans le temps et l'espace de telle sorte que les particules produites atteindront les bouchons à quelques centaines de picosecondes d'intervalle. HGCAL mesurera le temps d’arrivée de chaque particule, à savoir l’écart entre le moment de la collision et le moment où la particule arrive dans le détecteur, avec un niveau de précision exceptionnel.

Pour que le calorimètre puisse retracer la trajectoire de ces particules à partir du point de collision, il faut que la densité en capteurs soit élevée ; c’est cette densité qui est décrite par l’expression « à haute granularité ». Chaque cassette est couverte de capteurs enregistrant l’énergie, la position et le moment de passage des particules dans les 47 couches du détecteur.

Les 26 couches les plus proches du point de collision seront assemblées au CERN. Ces couches constitueront la section électromagnétique servant à la détection/mesure des électrons et des photons. Les 21 couches les plus éloignées du point de collision, qui détecteront/mesureront principalement des hadrons tels que des protons et des neutrons, seront assemblées au Fermilab. Chaque bouchon complet comptera une surface totale de capteurs actifs d’environ 500 mètres carrés – l’équivalent de presque deux terrains de tennis – avec plus de 3 millions de canaux.

« Le projet est très ambitieux, explique Ludivine Ceard, de l’Université nationale de Taïwan, physicienne et responsable de la logistique sur le projet HGCAL. C’est la première fois qu’un détecteur utilisant cette technologie sera construit à cette échelle, et devra fonctionner dans des conditions aussi difficiles. »

Lorsque les cassettes hadroniques auront été construites et testées au Fermilab, elles seront expédiées au CERN et insérées dans les structures d’acier. La première de ces structures a été produite au Pakistan et est actuellement réassemblée au CERN. Une section électromagnétique sera ensuite associée à une section hadronique pour former un bouchon HGCAL complet.

« Il y a tellement d’aspects compliqués », souligne Ludivine Ceard. Elle ajoute néanmoins que, pour l’équipe, le jeu en vaut la chandelle. « HGCAL est vraiment quelque chose de spécial, c’est le premier détecteur de ce type. »