calorimètre électromagnétique d'Atlas

Au terme d'une dizaine d'années de R&D, l'Irfu a livré au Cern, en juillet 2021, 74 nouvelles cartes électroniques destinées au calorimètre électromagnétique d'Atlas, produites par la société FEDD. Ces cartes supporteront le flux de données croissant qui sera produit par le LHC dès son redémarrage, en février 2022.

Les calorimètres électromagnétique et hadronique de l'expérience Atlas jouent un rôle essentiel dans l'identification des produits de collisions proton-proton du LHC parmi d'innombrables combinaisons. Segmentées en couches concentriques, les cellules des calorimètres mesurent sélectivement les dépôts d'énergie électromagnétique (électrons ou photons) et hadronique plus pénétrants (protons, pions, jets reliés à des quarks, gluons de basse énergie, etc).

Dans ce contexte, le système de déclenchement du calorimètre électromagnétique doit opérer un tri extrêmement rapide pour ne prendre en compte que les données des régions où ont lieu les interactions susceptibles d'être intéressantes (photon ou électron de haute énergie, jet énergétique, énergie transverse manquante, etc.).

Jusqu'à présent, le déclenchement utilisait la somme analogique de signaux produits par des groupes de cellules adjacentes, sans information sur la pénétration en profondeur des gerbes électromagnétiques.

Le nouveau système, dont le flux de données sortant est purement numérique (~200 Gbit/s et par carte), permet d'analyser les gerbes avec une granularité plus fine (10 fois plus de signaux utilisés pour le déclenchement) en incluant une mesure d'énergie et de temps par couche de détection. La mesure d'énergie permet notamment au système de déclenchement de distinguer les contributions électromagnétiques et hadroniques. De plus, la numérisation des données très tôt dans la chaîne d'acquisition autorise le calcul d'observables plus riches en informations que les sommes analogiques.

Forts de l'expérience acquise au cours du développement des anciennes cartes analogiques, les physiciens et ingénieurs de l'Irfu ont participé à la conception, à la mise au point, à la fabrication et aux tests de 74 nouvelles cartes de déclenchement du calorimètre électromagnétique (sur 150 au total).

Aux limites de l'état de l'art, chaque carte compte quelque 13.000 composants résistants aux rayonnements ionisants, dont 130 ASIC (Application Specific Integrated Circuit), sur un très grand circuit imprimé de 24 couches (41 × 49 cm²) refroidi par circulation d'eau. Chacune traite 320 canaux du système de déclenchement et est reliée au système principal par 40 liaisons optiques à 5,2 Gbits/s. L'ensemble génère un flot de données total de 29 térabit/s (10¹² bits/s).

© Karam OUHAROU. The author grants permission to copy, distribute and display this work in unaltered form, with attribution to the author, for noncommercial purposes only. All other rights, including commercial rights, are reserved to the author.

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