ATLAS

ATLAS (détecteur)

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Le détecteur ATLAS vers la fin février 2006

ATLAS (acronyme de A Toroidal LHC ApparatuS : - dispositif instrumental toroïdal 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 des théories 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.

Description

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 K 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 ℃. 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 40 et 50 tonnes. Elles supportent chacune 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).

Traversée des particules

Zone de collision - - - - - - - Traversée des particules à travers le détecteur ATLAS - - - - - - >

Particules	Trajectographe	Calorimètre électromagnétique	Calorimètre hadronique	Détecteurs de muons
Photons		+++ gerbe électromagnétique
Electrons/positrons	Ionisation	+++ gerbe électromagnétique
Hadrons chargés	Ionisation	+ léger dépôt énergétique	+++ gerbe hadronique
Hadrons neutres		+ léger dépôt énergétique	+++ gerbe hadronique
Muons	Ionisation	+ léger dépôt énergétique	+ léger dépôt énergétique	+++ Impulsion
Neutrinos

Photographies

ATLAS en surface, septembre 2005	Vue de dessus, septembre 2005	Novembre 2005	Vue de dessus, février 2006	Vue de dessus, février 2006	Février 2007
Câbles	Supra-conducteurs

Une impressionnante collaboration

ATLAS est une collaboration d'agences nationales, d'agences de financements, de centres de recherche et d'universités. En 2008, plus de 7000 scientifiques, la moitié des physiciens expérimentaux du monde entier - étaient impliqués dans le projet global du LHC (l'accélérateur de praticules, les détecteurs ATLAS, CMS, Alice et LHCb). La construction d'ATLAS est le résultat d'une coopération de 167 institutions and agences nationales venant de 35 pays et comportant environ 2500 scientifiques et ingénieurs^[2]. Cette collaboration a commencé avec l'équipe de Carlo Rubbia, qui partage le prix Nobel de Physique en 1984 avec Simon van der Meer pour son expérience UA1. Professeur Rubbia avait déjà à l'époque l'idée d'un accélérateur de particules suffisamment puissant pour donner une chance aux scientifiques de découvrir le boson de Higgs. Cet accélérateur, le LHC fût inauguré en 2008 avec les 4 détecteurs de particules, ATLAS y compris.

Notes et références

1. ↑ François Vannucci , ATLAS - Le nouveau défi des particules élémentaires , Ellipses Ed. , 2007
2. ↑ http://atlas.ch/what_is_atlas.html#2a

Liens externes

• (en) Site officiel grand public du détecteur ATLAS
• (fr) Pages ATLAS du site LHC-France du CNRS et du CEA
• (fr) Page ATLAS du site LHC du CERN

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