Sommaire

De l'intérêt des calorimètres

Les calorimètres d'ATLAS

Les calorimètres sont très importants pour les nouveaux détecteurs des collisionneurs proton-proton. Les jets de particules deviennent des objets physiques plus intéressants que les hadrons, car du fait de l'augmentation du nombre de particules, on recherche des topologies de désintégration plutôt que des traces de particules.

La taille d'un calorimètre augmente comme le logarithme de l'énergie alors que celle d'un tracker varie comme la racine de l'énergie. On peut concevoir un "bon" calorimètre pour un coût et des dimensions raisonnables. Les calorimètres permettent :

  • D'identifier et de mesurer les propriétés des particules neutres
  • D'identifier et de mesurer l'énergie des hadrons et jets
  • De mesurer l'énergie des particules de grande quantité de mouvement qui sont faiblement courbées par le champ magnétique
  • De mesurer l'énergie manquante pour caractériser la présence de neutrinos

La longueur totale parcourue dans les calorimètres par les particules chargées est proportionnelle à l'énergie initiale. L'ionisation produite est elle aussi proportionnelle à l'énergie de la particule incidente. On va donc pouvoir remonter à l'énergie de la particule incidente en mesurant la longueur des particules chargées de la gerbe. Il faut donc un milieu dense pour initier et entretenir la gerbe, mais aussi un milieu sensible pour détecter les particules chargées crées dans la gerbe.

Les différents calorimètres

Les calorimètres à milieu homogène

Un matériau unique assure à la fois les fonctions d'absorbeur (milieu dense) et de milieu de détection. On mesure ainsi l'ionisation créée par les particules chargées sur toute leur longueur. Le matériau à utiliser doit être :

  • Dense pour avoir un calorimètre suffisamment compact (quelques mètres pour contenir la gerbe)
  • Transparent à la lumière créée par les particules de la gerbe (verre au plomb, cristaux de CsI, ...)

Ces contraintes permettent d'atteindre une très bonne résolution sur la mesure de l'énergie et une résolution spatiale limitée, principalement selon la coordonnée longitudinale.

Les calorimètres à échantillonnage

Coupe d'un calorimètre à échantillonnage

Pour des raisons de coût et de compacité, on utilise aussi des calorimètres à échantillonnage, où l'on ne recueille qu'une fraction de énergie déposée par les particules chargées. On alterne :

  • Les milieux denses qui initient et entretiennent la gerbe (fer, plomb, uranium, ...) (en marron)
  • Les milieux sensibles qui recueillent l'énergie des particules chargées (scintillateur, détecteur à ionisation, ...) (en vert)

Etant donné que le détecteur et l'absorbeur sont séparés, seule une fraction de l'énergie est mesurée. La résolution en énergie est donc limitée. En revanche, on obtient une bonne résolution spatiale.

Le calorimètre électromagnétique

Le calorimètre électromagnétique permet la mesure de l'énergie et de la position des photons, des pions et des e+/e- grâce à 80 000 cristaux qui offrent une excellente résolution en énergie. La lumière produite dans les cristaux est lue par une photodiode à avalanche. Cette amplification est nécessaire pour compenser le faible nombre de photons de scintillation produits dans les cristaux.

Ces cristaux permettent de constituer un calorimètre très compact grâce à leur grande densité et à leur courte longueur de radiation. De plus c'est un détecteur rapide (~ 25 ns).

Le calorimètre hadronique

Le calorimètre hadronique fonctionne sensiblement sur le même principe qu'un calorimètre électromagnétique. Le calorimètre hadronique permet la mesure de l'énergie et de la position des hadrons chargés. Grâce à la mesure de l'énergie et de la direction des jets, ce calorimètre joue un rôle essentiel dans l'identification des quarks et des gluons.

La mesure de l'énergie transverse manquante est particulièrement importante pour la recherche de particules supersymétriques. Pour une bonne résolution de cette énergie transverse manquante, le calorimètre hadronique doit avoir une grande couverture angulaire.

Les gerbes électromagnétiques

Les gerbes électromagnétiques

Les gerbes électromagnétiques

A haute énergie, supérieure à 1 GeV, les photons interagissent uniquement par matérialisation en une paire e+/e-.

Toujours à haute énergie, supérieure à 100 MeV, les électrons vont principalement interagir par émission de rayonnement de freinage (Bremsstralung).

La combinaison de ces deux effets résulte en la formation d'une gerbe électromagnétique dès qu'un photon ou qu'un électron pénètre dans un milieu dense.

Les gerbes hadroniques

Les gerbes hadroniques

De nombreux processus sont en jeu, en plus de ceux impliqués dans les gerbes électromagnétiques. La composante électromagnétique se compose bien sûr de la gerbe électromagnétique mais aussi de photons gamma issus de la désintégration de pions neutres.

La composante hadronique est constituée de pions chargés, de kaons, de protons, de neutrons, de neutrinos, de photons mous et de muons.

Les processus en jeu produisent moins de particules qui vont pouvoir interagir et déposer de l'énergie mesurable dans le milieu de détection.

Les gerbes hadroniques sont beaucoup plus longues à s'initier que les gerbes électromagnétiques. En conséquence, il arrive fréquemment que des gerbes de hadrons très énergétiques, supérieur à 150 GeV, sortent du calorimètre hadronique. On parle alors de "punch-through". De ce fait, la résolution sur la mesure de l'énergie d'un hadron est mauvaise.

Les détecteurs de pieds de gerbe

L'utilité du pré-shower

Entre la signature d'un photon et la signature d'un pion qui se désintègre en 2 photons gamma, il y a peu de différences dans un calorimètre électromagnétique de faible granularité.

Afin de différencier ces deux types de particules, on utilise un détecteur de pied de gerbe (pré-shower) en amont du calorimètre électromagnétique. Ce détecteur a une granularité très fine et permet de séparer une gerbe simple d'une gerbe double.

On peut donc grâce à ce système déterminer le point d'impact et ainsi séparer un signal de deux départs de gerbe voisins d'un seul départ de gerbe.

Les chambres à muons

Les chambres à muons d'ATLAS

Les muons n'interagissent presque pas dans les calorimètres, ce qui fait qu'ils sont capables de traverser tout le détecteur sans problème.

Il faut donc utiliser des chambres à muons pour les arrêter. Etant donné que ces particules sont difficiles à arrêter, les chambres à muons sont délimitées par d'épaisses plaques de fer.

Les chambres à muons du CMS sont, en fait, un ensemble de trois composantes : des tubes à dérive, des chambres à cathodes en couches et enfin des chambres à plaques résistives parallèles.

Les deux premières servent à déterminer l'impulsion et la position des muons tandis que la dernière sert à obtenir rapidement de l'information à propos du déclenchement de premier niveau.