LHCb Detector opening 2018
LHCb Detector opening 2018 (Image: CERN)

Les améliorations apportées à LHCb pendant le LS2

Les principales améliorations apportées à l'expérience LHCb (Large Hadron Collider beauty) pendant le deuxième long arrêt (LS2)

L’expérience LHCb

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La caverne de l'expérience LHCb (Image: CERN)

L’expérience LHCb (Large Hadron Collider beauty) explore les légères différences qui existent entre la matière et l'antimatière grâce à l’étude d’un type de particule appelé « quark beauté » ou « quark b ».

Au lieu d’utiliser un détecteur fermé au niveau du point de collision, tel que ATLAS et CMS, l’expérience LHCb a recours à plusieurs sous-détecteurs conçus pour observer principalement les particules émises « à petits angles », c'est-à-dire vers l’avant, dans le sens du faisceau. Le premier sous-détecteur est placé à proximité du point de collision ; les autres se suivent sur une longueur de 20 mètres.

Long de 21 mètres, haut de 10 mètres et large de 13 mètres, le détecteur LHCb pèse 5 600 tonnes et est installé à 100 mètres sous terre, à proximité de la commune de Ferney-Voltaire (France). La collaboration LHCb compte environ 1 565 scientifiques, ingénieurs et techniciens originaires de 20 pays.

Depuis décembre 2018, le deuxième long arrêt (LS2) a permis d'améliorer l'infrastructure de l'expérience et de l'accélérateur. Les améliorations qui ont été apportées à l'expérience LHCb sont décrites ci-après.

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(Image: CERN)

Améliorations réalisées pendant le LS2

1. VELO : un nouveau détecteur à pixels au silicium

Le localisateur de vertex (VELO), le sous-détecteur qui mesure la distance entre le point de collision et le point où les hadrons b (particules composites contenant au moins un quark b ou un antiquark b) se transforment en d'autres particules.

Le nouveau détecteur VELO comprend des couches de trajectographes à pixels, qui présentent une meilleure résolution des impacts et permettent une reconstitution des traces plus simple. Il est en outre placé plus près de l'axe du faisceau : à une distance 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 avec un débit impressionnant de 20 Gb/s, a été développée dans ce but.

2 ET 3. RICH1 et RICH2

Les deux détecteurs Tchérenkov à focalisation annulaire (ring-imaging Cherenkov - RICH), RICH1 et RICH2, situés en amont et en aval de l'aimant de LHCb à 1 m et 10 m du point de collision, permettent d'identifier les particules avec une grande précision sur une large gamme d'impulsions. Tous deux ont été rénovés pour faire face à des conditions plus contraignantes de collecte des données pendant la troisième période d'exploitation.

La conception du système de détection des photons a été repensée. Deux types de tubes photomultiplicateurs multi-anodes à 64 canaux ont été installés, pour détecter isolément les photons, tout en offrant une excellente résolution spatiale et un faible bruit de fond.

Le système optique du détecteur RICH1 a été entièrement refait. Afin de réduire le nombre de photons dans la région la plus chaude, l'optique du détecteur a été repensée de manière à ce que les anneaux Tchérenkov couvrent une surface plus large.

4 et 5. Améliorations apportées au système de trajectographie

Initialement, le système de trajectographie principal utilisait quatre stations de trajectographie pour reconstituer la trajectoire des particules chargées : une entre RICH1 et l'aimant dipolaire de LHCb, et trois entre l'aimant et RICH2.

Désormais, un nouveau trajectographe situé en amont (UT), équipé de capteurs à microbandes de silicium innovantes, est installé à la place de la station en amont de l'aimant. 

Il est constitué de quatre plans de capteurs à microbandes de silicium montés des deux côtés de colonnes verticales, qui servent d'appui mécanique et permettent un refroidissement par évaporation au CO2.

Des capteurs en silicium de quatre conceptions différentes sont utilisés pour faire face à une occupation variable sur toute la zone d'acceptance du détecteur.

Les trois stations de trajectographie situées en aval de l'aimant ont été remplacées par un nouveau type de trajectographe utilisant des fibres scintillantes (SciFi), avec un système de lecture, à une extrémité, utilisant des séries de photomultiplicateurs au silicium (SiPM).

 

 

 

 

Les fibres scintillantes de ce sous-détecteur sont des fibres optiques qui émettent de la lumière lorsqu’une particule interagit avec elles. Chacune mesure 0,25 mm de diamètre et presque 2,5 m de long.

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. Plus de 11 000 km de fibres ont été commandées, puis méticuleusement contrôlées et éventuellement réparées dans les rares cas où des imperfections locales ont été découvertes.

6. Électronique frontale

Dans le LHC, les faisceaux se croisent à des intervalles de 25 nanosecondes, ce qui correspond à une fréquence de 40 Mhz (c'est-à-dire qu'ils se croisent 40 millions de fois par secondes). Jusqu'ici, LHCb opérait un filtrage pour ramener la cadence à 1 Mhz, au moyen de systèmes électroniques rapides sélectionnant les événements les plus intéressants. Ces événements étaient ensuite à nouveau traités et filtrés.

À partir de 2022, le système va fonctionner différemment : le détecteur prendra en compte la totalité des 40 Mhz afin que les logiciels puissent sélectionner les événements avec davantage de précision et de flexibilité. Pour cette raison, les systèmes électroniques de pratiquement tous les sous-détecteurs ont été modifiés et la puissance de calcul du système de sélection des événements (système de déclenchement) de LHCb augmentera.

L'électronique frontale utilisera largement un jeu de puces radiorésistantes, le transcepteur Gigabit (GBT) pour la lecture, ainsi que pour le contrôle lent, la surveillance et la synchronisation.

Autres améliorations: de nouveaux centres de données

Six nouveaux modules de centre de données ont été installés à LHCb. Il comprennent 132 racks, représentant une puissance totale de 2 MW.

Les deux modules centraux accueilleront le système de lecture pour la troisième période d'exploitation, composé d'environ 500 serveurs avec des cartes de lecture spéciales développées par LHCb et également utilisées par ALICE.

Plus de 14 000 fibres optiques relient ces deux modules au détecteur. Elles transportent environ 40 térabits de données brutes par seconde et sont distribuées aux serveurs de lecture (chaque module peut contenir plus de 1 000 serveurs).

Les quatre modules restants hébergeront les serveurs dédiés au filtrage des données. LHCb déploiera au moins 2 000 serveurs au début de la troisième période d'exploitation et au moins 20 Po de stockage.

Ressources

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