R&D TileCal pour le HL-LHC
Le texte ci-dessous décrit toutes les R&D effectuées dans l'équipe dans le cadre de l'amélioration du TileCal pour la phase 2 du HL-LHC. Ce texte est un peu ancien mais l'essentiel y est dit.
Les trois premières R&D ont été conclues avec succès, avant d'être transférées vers d'autres laboratoires de la collaboration (ITIM Cluj-Napoca et LIP Lisbonne). La dernière (FATALIC) a été abandonné (
voir les détails).
La phase de R&D est maintenant achevée et l'équipe travaille maintenant sur la production (voir détails).
Le HL-LHC
Les performances du LHC sont en progression constante depuis les premières collisions de protons en 2009. L'énergie nominale de 14 TeV en proton-proton est un objectif majeur en 2014, après l'arrêt technique de 2013 pour consolider la totalité des aimants de la machine. Quant à la luminosité nominale instantanée de 10
34 cm
-2s
-1, celle-ci sera atteinte progressivement et de façon très méthodique comme cela est pratiqué depuis le démarrage du LHC. Les améliorations obtenues avec les protons profiteront également aux ions, avec l'ambition d'atteindre dans ce cas la luminosité nominale instantanée de 10
27 cm
-2s
-1.
Mais le CERN compte aller plus loin, en apportant de nouvelles améliorations au LHC et à la chaîne d'accélérateurs placés en amont :
- HL-LHC (« High Luminosity LHC ») : cela consiste à augmenter d'un facteur 5 la Luminosité instantanée et à obtenir un facteur 2 supplémentaire sur l'évolution des faisceaux pendant la durée d'un « run », en conservant une Luminosité instantanée constante au lieu de l'avoir déclinante au cours du temps. Ces deux effets conjugués devraient permettre de gagner un ordre de grandeur sur la Luminosité intégrée. Une étape intermédiaire à 2 1034 cm-2s-1 pendant la période 2019-2022 précèderait la dernière à 5 1034 cm-2s-1 de 2023 à 2030 environ.
- HE-LHC (« High Energy LHC ») : cette prospective prévoit d'atteindre 33 TeV dans le centre de masse. Le planning est beaucoup plus flou que dans le cas précédent, mais ce serait après 2030.
Nous n'expliquons pas ici comment le CERN va procéder pour atteindre ces objectifs, mais les études et même certains travaux de construction ont déjà commencé, c'est le cas par exemple du nouveau LINAC pour les protons qui fera partie de la chaîne d'accélérateurs.
L'upgrade d'ATLAS
Historiquement, l'upgrade d'ATLAS était motivé par les contraintes nouvelles imposées par le sLHC, en gros l'augmentation d'un facteur 10 de la Luminosité instantanée (ramenée à 5 maintenant comme nous l'avons déjà expliqué), ces contraintes étant surtout liées aux taux de comptage et aux niveaux plus élevés des radiations. Mais si le démarrage effectif retardé du LHC a eu un impact sur la suite qu'est le sLHC, d'autres arguments en faveur de l'upgrade sont apparus, en particulier sur l'électronique d'ATLAS :
- L'électronique utilisée actuellement a été conçue et produite bien avant l'année 2000. Sa conception aura donc plus de 20 ans lorsque le HL-LHC fonctionnera.
- Au vieillissement naturel des composants s'ajoutera celui du à l'effet accumulé des radiations.
- La connaissance que nous avons de son fonctionnement, en vraie grandeur, dans ATLAS, nous montre qu'il y a des pistes possibles d'amélioration.
- Les progrès engendrés par de nouvelles technologies (fibres optiques à très haut débit GBT, microélectronique favorisant encore plus l'intégration...) ouvrent la porte à des solutions inexistantes lors de la conception première des détecteurs.
La nouvelle organisation d'ATLAS supervise toutes les activités d'upgrade, et diverses EoI (Expressions of Interest) ont été soumises, la rédaction d'une LoI (Letter of Intent) globale étant programmée avant la fin de 2011, mettant à jour une LoI non officielle datant de 2009. Mais d'ors et déjà, de nombreuses activités de R&D sont en cours.
Pour ce qui concerne la calorimétrie, une approche commune consiste à élaborer des « démonstrateurs » qui seront testés au CERN (halls dédiés, faisceaux tests) puis quelques-uns seront implantés dans le détecteur ATLAS et fonctionneront, en parallèle, avec l'électronique standard. Enfin, après production de la nouvelle électronique, celle-ci sera mise en place, soit progressivement, soit lors d'un arrêt plus long du LHC. Le programme, tel qu'il est connu actuellement, comporterait quatre phases :
- Phase préliminaire (2011-2012) : R&D, tests spécifiques des démonstrateurs au CERN et tests de radiation.
- Phase 0 (2013-2018/2019) : Démonstrateurs sur faisceaux tests puis dans ATLAS.
- Phase 1 : 2018/2019-2021/2022 : Installation progressive possible de l'électronique finale.
- Phase 2 : 2021/2022 et après : Installation complète de l'électronique finale.
Il faut noter que c'est la Phase 1 qui est, pour le moment, la moins bien définie.
Upgrade du TileCal
Il concerne d'abord l'électronique frontale (FE « Front End »), celle qui est dans les tiroirs du calorimètre, puis l'électronique plus lointaine (BE « Back End) située dans la salle de comptage. L'approche idéale consisterait à expédier, grâce à des fibres optiques GBT et à la fréquence du LHC, l'information FE numérisée dans les tiroirs vers l'électronique BE, la sélection n'étant effectuée que par la suite. Il n'y a donc plus de circuits « pipeline » dans les tiroirs qui attendaient le retour des informations « trigger » de la salle d'électronique.
De plus, le Tilecal doit bénéficier du retour sur expérience : améliorer tout ce qui concerne l'intégration des différents types de cartes et les services en général (connecteurs, câbles, fibres optiques, etc.), avec des tiroirs indépendants et non plus associés en super-tiroirs, ce qui simplifierait leurs certifications. Compte-tenu de l'accessibilité au détecteur (peu d'espace et peu de temps disponible), la manutention des tiroirs actuels longs (1,4 m) et lourds (plus de 45 kg) n'était pas simple. Il est envisagé de les raccourcir de moitié. Enfin, le système laser présente certaines faiblesses dans le partage de la lumière en direction des modules du Tilecal.
R&D en cours au LPC
Les activités R&D au LPC ont commencé en 2008. Elles ont été validées par plusieurs CSP (Commission de Suivi de Projet) du LPC et par la collaboration Tilecal. Elles sont au nombre de cinq et répondent au plus près au schéma idéal cité ci-dessus.
Mini-tiroirs
Cette R&D a pour objectif de démontrer s'il est possible d'utiliser ou non des tiroirs deux fois plus courts que les tiroirs actuels, ce qui conduit à des trains de 4 mini-tiroirs. Cela requiert des études des liaisons mécaniques et de glissement des mini-tiroirs pour différentes inclinaisons des modules Tilecal, avec une comparaison avec les tiroirs actuels. Les tests sont effectués sur un module Tilecal dans le bâtiment 175 du CERN. Les premiers résultats sont prometteurs et les étapes suivantes vont concerner d'autres aspects : raccordements mécaniques plus faciles des mini-tiroirs (c'est un point important pour les opérateurs dans l'environnement réel d'ATLAS), raccordements des tuyaux de refroidissement et étude de tous les services. Le remplacement de l'électronique frontale devrait être effectué pendant un temps alloué très court (12 à 18 mois) compte-tenu des travaux que cela représente. Par conséquent, la disponibilité de mini-tiroirs pré-équipés et plus aisément manipulables présenterait des avantages décisifs.
Cette R&D menée au LPC implique principalement des travaux de mécanique.
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Système des hautes tensions
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Les premières études de R&D ont conduit à la proposition de 6 solutions. Les trois premières reprennent l'architecture actuelle d'une électronique embarquée dans les tiroirs, avec différentes variantes, les trois autres déportent cette électronique dans la salle de comptage USA15, en reprenant l'électronique actuelle ou en faisant appel à des produits commerciaux. Le choix final appartiendra à la collaboration.
Cette R&D menée au LPC implique des études d'électronique.
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Ponts diviseurs actifs
L'augmentation de la Luminosité va se traduire par une augmentation des courants débités dans les ponts diviseurs qui alimentent les photomultiplicateurs (PMT) du Tilecal, en raison du plus grand nombre de particules détectées par le calorimètre. Ces courants, plus forts, ont pour effets de diminuer les tensions entre les dernières dynodes et peuvent perturber la linéarité de la réponse des PMTs dans l'analyse des signaux physiques intéressants qui se superposent à ce bruit de fond continu. Dans le contexte d'ATLAS, la solution retenue n'utilise que des composants électroniques passifs (résistances et condensateurs) dans le partage des tensions sur les dernières dynodes, ce qui permet de limiter la non-linéarité à 1 ou 2 % maximum. Cet effet serait fortement augmenté au HL-LHC et aurait des impacts néfastes sur l'analyse des jets à très haute énergie (forcément plus nombreux) et sur la résolution en énergie (via une augmentation du terme constant).
La solution proposée utilise des composants actifs (principalement des transistors) sur les derniers étages afin de maintenir constantes les tensions inter dynodes quels que soient les courants. Une modification et une rénovation du banc test des ponts diviseurs accompagnent ces travaux.
Cette R&D menée au LPC implique des études d'électronique et de mécanique.
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ASIC pour l'électronique frontale et VFE (« Very Front End »)
Cette activité est maintenant terminée et consistait en le développement d'un
circuit intégré nommé FATALIC.
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F. Vazeille (responsable / leader) 
L. Rustige 
R. Madar 
S. Angelidakis 
D. Pallin