Métamorphose de LHCb: le menu des deux prochaines années

Le détecteur LHCb subira des transformations pendant le deuxième long arrêt des accélérateurs du CERN (LS2)

Pendant les deux années à venir, au cours du deuxième long arrêt (LS2), période de maintenance et d'amélioration des installations du CERN, l'expérience LHCb va bénéficier d'une importante transformation. Lorsque le Grand collisionneur de hadrons redémarrera, en 2021, le rythme des collisions proton-proton au coeur de l'expérience LHCb sera multiplié par cinq ; la collaboration améliore donc son détecteur pour qu'il soit prêt à y faire face.

L'expérience LHCb tente de résoudre un mystère: la raison pour laquelle la nature a une préférence pour la matière plutôt que pour l'antimatière. De petites asymétries entre les deux pourraient expliquer pourquoi, après le Big Bang, c'est la matière et non pas l'antimatière qui a prévalu. Plus précisément, LHCb traque les quarks b, qui existaient en grand nombre pendant les premiers instants de l'Univers, et qui peuvent être produits par milliards par le LHC, ainsi que les antiparticules correspondantes, les antiquarks b.

Quarante, c'est mieux qu'un

Étant donné que plusieurs millions de collisions de protons ont lieu chaque seconde dans le LHC, un système de déclenchement du détecteur doit déterminer quelles données il importe de conserver et lesquelles peuvent être ignorées.

À l'intérieur de l'anneau du LHC, les paquets de protons forment deux faisceaux, qui circulent à une vitesse proche de celle de la lumière en sens opposés. Les faisceaux se croisent au centre des détecteurs une fois toutes les 25 nanosecondes, ce qui correspond à une fréquence de 40 Mhz (c'est-à-dire qu'ils se croisent 40 millions de fois par seconde). Les années précédentes, LHCb filtrait ce "rythme d'événements" jusqu'à la réduire à 1 Mhz, en utilisant des systèmes électroniques rapides pour sélectionner les événements les plus intéressants qui étaient ensuite traités et filtrés. Mais à partir de 2021, la donne va radicalement changer: le détecteur dans son ensemble observera la totalité des événements afin de permettre aux logiciels de réaliser la sélection avec davantage de précision et de flexibilité. Pour cette raison, les systèmes électroniques de pratiquement tous les sous-détecteurs seront modifiés et la puissance de calcul du système de sélection des événements (système de déclenchement) de LHCb augmentera.

Les données seront alors transmises, au rythme effréné de 4 téraoctets par seconde et via quelque 9 000 fibres optiques de 300 m de long, directement depuis les éléments électroniques du détecteur, dans le hall souterrain, vers un nouveau centre informatique dont la construction est bientôt achevée. Là, environ 500 cartes électroniques puissantes conçues sur mesure recevront les données et les transmettront à des milliers de coeurs de processeurs.

Un VELO plus rapide

Le localisateur de vertex (VELO) est le sous-détecteur qui mesure la distance entre le point de collision et le point où les hadrons B (des particules composites contenant au moins un quark b ou un antiquark b) se transforment en d'autres particules. C'est l'un des éléments essentiels qui sera amélioré pendant le LS2. Le nouveau détecteur VELO comprendra des couches de trajectographes à pixels, lesquelles permettent une meilleure résolution des impacts et une reconstitution plus simple des traces. Il sera en outre placé plus près de l'axe du faisceau: à une distance de de 5,1 mm, au lieu de 8,4 mm auparavant. Une nouvelle puce, appelée VELOPIX et capable d'enregistrer les signaux provenant de 256x256 pixels ainsi que d'envoyer des données au taux impressionnant de 20 Gb/s, a été développée dans ce but.

Miroir, miroir, dis-moi...

Les détecteurs Chérenkov à focalisation annulaire (RICH), qui déterminent l'identité des particules, seront équipés d'un nouveau système de miroirs. Ces miroirs sont nécessaires pour dévier, focaliser et détecter les cônes de lumière émis par les particules qui traversent un environnement présentant des densités de particules beaucoup plus élevées.

Capteurs à microbandes de silicium et trajectographe à fibres scintillantes

Actuellement, le système de trajectographie principal utilise quatre stations de trajectographie pour reconstituer la trajectoire des particules chargées: une entre RICH-1 et l'aimant dipolaire de LHCb, et trois entre l'aimant et RICH-2. À l'avenir, un nouveau trajectographe situé en amont (UT), équipé de capteurs à microbandes de silicium innovantes, sera installé à la place de la station actuellement en amont de l'aimant. Les trois stations de trajectographie situées en aval de l'aimant seront remplacées par un nouveau type de station utilisant des fibres scintillantes (SciFi), avec un système de lecture, à une extrémité, utilisant des séries de photomultiplicateurs au silicium (SiPM).

L'installation du trajectographe SciFi constitue un défi important pour la collaboration, non seulement en raison de sa complexité, mais également parce que cette technologie n'a jamais été utilisée sur une zone aussi étendue et dans un environnement soumis à un rayonnement aussi important. Les scientifiques ont commandé plus de 11 000 km de fibres, qu'ils ont méticuleusement contrôlées et sur lesquelles ils ont même réparé quelques rares imperfections locales.


Avec la luminosité plus importante qui est prévue, et grâce à une capacité largement plus grande de choisir les événements les plus intéressants, l'expérience LHCb devrait, après sa transformation, nous permettre d'envisager des résultats sans précédent pour l'avenir.