L’expérience CMS, bijou de physique des particules, est un détecteur de 14 000 tonnes qui a pour mission de résoudre une longue liste de questions sur les mystères entourant le boson de Higgs et la matière noire. Maintenant que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a entamé un arrêt technique de deux ans, appelé deuxième long arrêt (LS2), CMS se prépare pour d’importants travaux de maintenance et d’amélioration.
Toutes les expériences LHC du CERN souhaitent tirer le maximum de bénéfices du LHC à haute luminosité (HL-LHC), amélioration majeure du LHC, prévu pour démarrer en 2026. Le HL-LHC produira entre cinq et dix fois plus de collisions que le LHC, ce qui permettra de réaliser davantage de mesures de précision sur des phénomènes rares prédits par le Modèle standard, et peut-être même de détecter de nouvelles particules qui n’ont encore jamais été observées. Pour exploiter pleinement ce potentiel, certains des composants de CMS doivent être remplacés.
Au cœur de CMS
Dissimulé sous plusieurs couches de sous-détecteurs, le détecteur à pixels entourant le tube de faisceau constitue le cœur de l’expérience, car c’est l’élément le plus proche du point de collision. Pendant le LS2, la couche la plus interne du détecteur à pixels actuel va être remplacée. Les nouveaux éléments seront composés de matériaux supportant mieux le rayonnement pour l’exploitation à haute luminosité. Le tube de faisceau sera également remplacé pendant le LS2 par un tube avec lequel les extrémités du futur détecteur à pixels pourront être encore plus proches du point d’interaction. Ce détecteur à pixels de troisième génération sera installé pendant le troisième long arrêt (LS3), qui aura lieu en 2024–2026.
Pour ne pas perdre une miette
Les membres de la collaboration CMS prévoient également, en plus des activités touchant le cœur de l’expérience, des travaux sur les parties les plus externes du détecteur, à savoir celles qui détectent et mesurent les muons, des particules qui ressemblent aux électrons mais sont beaucoup plus lourdes. Ils se préparent également à installer quarante chambres à multiplicateur d’électrons à gaz multiples (GEM) afin de détecter les muons qui s’échappent à un angle d’environ 10o, l’un des angles les plus difficiles à couvrir pour le détecteur. Inventées en 1997 par Fabio Sauli, les chambres GEM sont déjà utilisées dans d’autres expériences du CERN, telles que COMPASS, TOTEM et LHCb, mais l’échelle est bien plus grande pour CMS. Les chambres GEM sont composées d’une fine feuille de polymère métallisée, percée chimiquement de millions de trous, généralement 50 à 100 par millimètre, qui est immergée dans du gaz. Lorsque les muons traversent ces chambres, les électrons libérés par le gaz dérivent vers les trous, se multiplient dans un très fort champ électrique, et arrivent dans une zone où ils sont recueillis.
Le futur en ligne de mire
Dans leur état actuel, quelques détecteurs ne seraient pas en mesure de fonctionner suffisamment bien pendant la phase HL-LHC ; en effet, le nombre de collisions proton-proton qui doivent être produites dans le HL-LHC sera dix fois plus élevé que celui prévu initialement pour l’expérience CMS. Par conséquent, un calorimètre à haute granularité (HGCAL) sera installé pendant le LS3, entre 2024 et 2026, pour remplacer les calorimètres électromagnétique et hadronique actuels des bouchons. Le nouveau détecteur comprendra plus de 1000 m² de capteurs hexagonaux au silicium et de carreaux de scintillateurs plastiques, répartis sur plus de 100 couches (50 pour chaque bouchon), qui fourniront des informations sans précédent sur les électrons, les photons et les hadrons. L’exploitation de ce détecteur constituera un grand défi en matière de logiciels et d’analyse, et les physiciens comme les experts en informatique travaillent déjà sur des techniques de pointe, telles que l’apprentissage automatique.
Construire encore et encore
L’expérience CMS a également été concernée par les travaux de génie civil réalisés en vue du HL-LHC, qui ont débuté en juin 2018 et se poursuivent à l’heure actuelle. Le projet comprend cinq nouveaux bâtiments en surface à Cessy (France), ainsi que des modifications sur les cavernes et les galeries souterraines.
L’ambitieux projet de la collaboration CMS, pour le futur à court et à plus long terme, est de préparer le détecteur à de nouvelles aventures palpitantes. Affaire à suivre !
Pour en savoir plus, lisez l’article « CMS has high luminosity in sight » dans le dernier numéro du CERN Courier (en anglais), ainsi que les nouvelles d’ALICE, ATLAS et LHCb relatives au LS2.
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