Une avancée majeure se profile à l’horizon de la physique des particules ! Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN se prépare à une amélioration sans précédent avec l’arrivée du LHC à Haute Luminosité (HL-LHC) en 2030, et pour l’accompagner, un nouveau détecteur révolutionnaire est en cours de construction : le calorimètre d’extrémité à Haute Granularité (HGCAL) de l’expérience CMS. Ce dispositif, décrit comme un « calorimètre 5D », promet de repousser les limites de notre compréhension de l’Univers, en capturant des données avec une précision jamais atteinte.
Une nouvelle ère pour le Grand collisionneur de hadrons
Le CERN, berceau des découvertes fondamentales en physique des particules, s’apprête à franchir une étape cruciale avec le LHC à Haute Luminosité (HL-LHC). Prévue pour démarrer en 2030, cette version améliorée du LHC augmentera considérablement le nombre de collisions de particules, générant entre 4 et 5 fois plus d’événements quasi simultanés qu’aujourd’hui. À un rythme stupéfiant de 40 millions de fois par seconde, on s’attend à ce que 140 à 200 collisions se produisent presque simultanément. Une telle intensité représente un défi colossal pour les détecteurs actuels, qui ne sont pas conçus pour gérer un volume de données aussi massif et les niveaux de radiation accrus qui en découlent. C’est dans ce contexte que le HGCAL, un nouveau système de détection, devient indispensable pour permettre aux scientifiques de continuer à explorer les mystères de la matière et de l’énergie.
Le HGCAL : Un œil « 5D » sur l’infiniment petit
Le HGCAL se distingue par sa capacité unique à offrir une détection « 5D », une avancée technologique majeure. Comme l’explique Dimitra Tsionou, physicienne HGCAL de l’Université Nationale de Taiwan :
« HGCAL est effectivement un calorimètre 5D : il réalise une reconstruction spatiale en 3D, une reconstruction énergétique et possède une très haute résolution temporelle. »
Cette combinaison de précision spatiale (en trois dimensions), de mesure d’énergie et de résolution temporelle ultra-fine (mesurant l’arrivée des particules à quelques centaines de picosecondes près) permettra de distinguer des événements de collision extrêmement proches dans le temps et l’espace. La haute granularité, d’où le nom du détecteur, est essentielle : chaque « cassette » est recouverte de capteurs qui enregistrent l’énergie, la position et le moment de chaque particule traversant les 47 couches du détecteur. Cette richesse d’informations est cruciale pour reconstruire précisément les trajectoires des particules et remonter à leur origine lors des collisions.
Une ingénierie colossale et une collaboration internationale
Les calorimètres HGCAL, destinés à remplacer les capuchons d’extrémité existants de l’expérience CMS, seront les plus grands détecteurs à base de silicium jamais construits. Chaque « cassette » est un bloc de construction en forme de coin des calorimètres à Haute Granularité de CMS. Au total, chaque calotte d’extrémité présentera une surface active de capteurs d’environ 500 mètres carrés – soit près de la taille de deux courts de tennis – et contiendra plus de 3 millions de canaux de détection. Ce projet ambitieux est le fruit d’une collaboration internationale exemplaire, avec des contributions de centres d’assemblage de modules répartis dans le monde entier (IHEP à Pékin, NTU à Taipei, TIFR à Mumbai, UCSB à Santa Barbara, CMU à Pittsburgh et TTU au Texas). Les 26 couches les plus proches du point de collision, formant la section électromagnétique, seront assemblées au CERN, tandis que les 21 couches les plus éloignées, détectant principalement les hadrons, seront assemblées à Fermilab aux États-Unis. Ludivine Ceard, physicienne HGCAL et responsable logistique à l’Université Nationale de Taiwan, souligne l’ampleur du défi :
« C’est très ambitieux. C’est la première fois qu’un détecteur utilisant cette technologie sera construit à cette échelle et devra fonctionner dans des conditions aussi difficiles. »
Relever les défis extrêmes du futur LHC
Au-delà de l’augmentation du nombre de collisions, le HGCAL doit également résister à des niveaux de radiation beaucoup plus élevés. Les capuchons d’extrémité seront soumis à un bombardement constant de particules, nécessitant des matériaux et une conception d’une robustesse exceptionnelle. Le HGCAL est conçu non seulement pour survivre à ces conditions extrêmes, mais aussi pour améliorer considérablement les performances de détection. Il égalera la résolution énergétique, affinera l’identification des particules et optimisera la performance de déclenchement (la capacité à sélectionner les événements intéressants) par rapport aux détecteurs existants. Cette capacité à opérer dans un environnement aussi hostile tout en fournissant des données de qualité supérieure est ce qui rend le HGCAL si crucial pour les futures découvertes.
Des perspectives illimitées pour la physique des particules
L’achèvement et la mise en service du HGCAL pour le HL-LHC ouvriront des portes insoupçonnées dans la physique des particules. En offrant une précision et une capacité de gestion des données sans précédent, ce calorimètre permettra aux scientifiques d’observer des processus encore plus rares, d’étudier en profondeur les propriétés des particules fondamentales et de rechercher de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard. Comme le rappelle Ludivine Ceard,
« Il y a tellement d’aspects stimulants… HGCAL est vraiment spécial, le premier du genre. »
Le HGCAL n’est pas seulement un détecteur, c’est un instrument d’exploration qui promet de révéler des secrets enfouis au cœur de la matière, nous rapprochant un peu plus de la compréhension ultime de l’Univers. Cette prouesse technologique et humaine témoigne de l’ingéniosité et de la collaboration internationale au service de la science.
Mots-clés : CERN, LHC Haute Luminosité, Calorimètre CMS HGCAL, Physique des particules, Détection 5D
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