Maximilien Chefdeville Stage effectué au CEA / DAPNIA ETUDE EN COSMIQUES D’UNE TPC A LECTURE MICROMEGAS POUR LE FUTUR COLLISIONNEUR LINEAIRE Maximilien Chefdeville Stage effectué au CEA / DAPNIA

Plan Introduction Etude en cosmiques de la TPC Micromegas Contexte Le projet TESLA La technologie Micromegas Etude en cosmiques de la TPC Micromegas Présentation du prototype Optimisation des performances de l’acquisition et étude du rayonnement cosmique au sol Influence du champ magnétique Optimisation du mélange gazeux Comparaison aux données Conclusion Contribution au développement d’une TPC digitale Présentation Calibration du dispositif Simulation de la longueur projetée

Contexte Le modèle standard Questions ouvertes Thèmes de recherche Théorie électrofaible + QCD Testé à un haut degré de précision Nombreux paramètres libres : masses et constantes de couplage Questions ouvertes Origine des masses et brisure de la symétrie électrofaible par le mécanisme de Higgs ? Nature de matière noire ? Unification des quatre forces ? Thèmes de recherche Découverte du boson de Higgs et étude détaillée de ses propriétés Recherche de particules supersymétriques Recherche de phénomènes au-delà du modèle standard SUGRA, supercordes … Prochains Collisionneurs Le Large Hadron Collider (proton / proton, 14 TeV dans le centre de masse) Le futur collisionneur linéaire (projets NLC, JLC, TESLA)

Le projet TESLA Collisionneur e+/e- supraconducteur Détecteurs Piloté par DESY 33 km Energie de 500 à 800 GeV Luminosité de 3,4.1034 cm-2 s-1 Détecteurs Détecteur de vertex Trajectographe Calorimètre électromagnétique Calorimètre hadronique Chambre à projection temporelle Reconstruit les trajectoires de particules chargées Calcul du dE/dx Systèmes d’amplification et de lecture association fils et damiers Micro Pattern Gaseous Detector

Micromegas Principe Focalisation des électrons Capture des ions Micro grille séparant les 2 zones ‘Boost’ de champ à la traversée de la grille Multiplication après la grille Collection sur des damiers, des pistes ou des pixels Focalisation des électrons Capture des ions Performances Collection rapide du signal Transparence aux électrons Retour des ions négligeable Dispositif peu coûteux Avalanche

Prototype de TPC Micromegas Cage de dérive 50 cm de long 53 cm de diamètre Grille pas de 50 microns gap de 50 microns 1024 damiers de lecture 1024 voies d’électronique Aimant supraconducteur de 2T 2x10 mm² pads 1x10 mm² pads

Optimisation des performances de l’acquisition Dispositif de l’acquisition Scintillateurs Coïncidence (déclenchement) Carte de déclenchement Cartes de lecture Processeur d’acquisition PC Problématique Beaucoup de déclenchements inutiles Proposer de nouvelles configurations

Simulation du rayonnement cosmique Configuration initiale C1 = Sc#2(40x40cm, h=220) + TPC(49x19cm,h=0) + Sc#3(78x85cm,h=-75) Calcul Monte Carlo des efficacités Configuration des scintillateurs Distribution angulaire des cosmiques Distribution en cos3θ.sinθ Configurations optimisées C2 = Sc#4(53x30cm,h=115) + TPC +Sc#1(57x29cm,h=-73) + Sc#3 C3 = Sc#4(53x30cm,h=115) + TPC + Sc#3 Configuration Efficacité C1 25% C2 75% C3 35%

Optimisation des taux de déclenchement Taux cosmique à travers le scintillateur le plus haut de 18 Hz Déduction du taux de déclenchement par calcul Monte Carlo Temps de lecture Réduction de 20 à 3 s Calcul Monte Carlo des taux de déclenchements lus Calcul Monte Carlo des taux de bons déclenchements lus Config. Taux simulé Taux mesuré C1 0,7 Hz 0,3 Hz C2 0,5 Hz 0,6 Hz C3 1,8 Hz 3,5 Hz Config. Taux lus Taux bons lus C1 0,05 Hz 0,01 Hz C2 0,2 Hz 0,15 Hz C3 0,3 Hz 0,1 Hz

Influence du champ magnétique Plage de 0 à 2 T accessible On mesure le rayon de courbure des traces Spectre en impulsion des muons Config. B (T) Taux lus (Hz) C2 0.1 0.31 0.3 0.32 0.5 0.7 0.30 C3 1.0 0.45 1.5 0.48 2.0 0.46 Perte de statistique dans les basses impulsions Taux lus constants Temps mort domine toujours

Optimisation du mélange gazeux Contraintes sur le mélange gazeux Faible temps d’occupation de la chambre Insensibilité aux fluctuations de champ électrique Précision optimale sur les coordonnées Pas de capture d’électrons primaires 4 Mélanges sélectionnés Porteur : argon Quenchers : CF4, CO2, CH4, iC4H10 Choix du champ de dérive Ar + 3% CF4 8,57 cm/μs @ 220 V/cm Ar + 5% iC4H10 4,18 cm/μs @ 210 V/cm Ar + 10% CH4 (P10) 5,48 cm/μs @ 150 V/cm Ar + 5% CH4 + 3% CO2 (TDR) 4,56 cm/μs @ 230 V/cm

Diffusion transverse & facteur ωτ Réduction par le champ magnétique caractérisée par le facteur ωτ On vérifie ωτ ~ vd.B / E Influence de B dans le mélange Argon/10%CH4 B (T) Dt simulé (μm / cm1/2) Dt mesuré (μm / cm1/2) 0,3 324 214 0,5 240 209 0,7 201 197 1,0 151 141 1,5 110 113 2,0 87 93 Gaz σ(0T) / σ(2T) TDR 3,3 P10 6,5 Ar+3% CF4 7,3 Ar+5%iC4H10 4,5 La simulation sur estime les mesures et converge vers elles à haut champ

Vitesse de dérive et distribution en temps Utilisation de traces sortant par le fond de la chambre Gaz E (V/cm) V simulée (cm/μs) V mesurée (cm/μs) Ar+5% iC4H10 210 4,18 4,24 +/- 0.08 Ar+10% CH4 66 4,38 4,43 +/- 0,07 Bon accord avec l’expérience Distribution des temps de dérive Distribution homogène des temps de dérive

Conclusion Acquisition optimisée Taux de déclenchement Temps de lecture Taux de bons événements lus par le PC multiplié au minimum par 10 Mélange gazeux optimisé Influence du champ magnétique Suppression des traces de faibles impulsions Réduction de la diffusion transverse Temps mort domine toujours Diffusion transverse réduite d’un facteur 3 à 7 selon le gaz Prise de données terminée Calcul des vitesses de dérive Distribution des temps de dérive Ecarts dans les calculs de diffusion transverse TPC fonctionne correctement Analyse à approfondir

Contribution au développement d’une TPC digitale Collaboration MediPix2 13 pays européens (NIKHEF) Transfert technologie de hep au médical Technologie MediPix2 Puce électronique pixélisée combinée à un convertisseur photon/électron Destinée à l’imagerie Sensible au photon unique Caractéristiques Matrice de 256x256 pixels (64k voies électroniques) Pixel de 55x55 μm² (~500 transistors / pixel) Fenêtre en énergie (2 discriminateurs / pixel) Association avec Micromegas Suppression du convertisseur Collecte des e- de l’avalanche sur les pixels But Détecter des électrons uniques pour observer des particules au minimum d’ionisation.

Dispositif et contraintes expérimentals Détecteur Chambre de 10x10x15 mm3 Grille Micromegas Gap de 50 μm MediPix2 Contraintes Précision transverse optimale Pas de capture d’e- primaire Sortir du bruit et voir e- unique Pas d’étincelles Clusters suffisamment espacés MediPix2 Micromegas Cathode Mélanges gazeux sélectionnés Porteurs : hélium & argon Quenchers : CF4 & iC4H10

Optimisation du mélange gazeux Diffusion transverse constante sur une large plage de champ He +20% CF4 128 mm/cm1/2@1 kV/cm He +20% iC4H10 189 mm/cm1/2@1 kV/cm Ar +20% iC4H10 249 mm/cm1/2@1 kV/cm Champ de dérive ~ 1 kV/cm Attachement négligeable dans l’espace de conversion dominé par le coefficient de Townsend dans l’espace de multiplication Claquage Tensions de claquage des grilles connues Forte proportion de quencher réduit le risque Champ de multiplication ~ 70-90 kV/cm

Calibration du dispositif Description Détermine G=f(Vgrille) Source de fer 55 2 types de MediPix2 Non modifiés (20% surface métallisée) Modifiés (80% surface métallisée) Gains maximums He + 20% iC4H10 29000 @ 96 kV/cm (modif) 8200 @ 96 kV/cm (unmodif) He + 20% CF4 5500 @ 98 kV/cm (unmodif) G(modif.) ~ 3,8 . G(unmodif.)

Observation de particules au minimum d’ionisation Sources Cosmique Radioactive Observation Électron unique Clusters Rayonnement delta ? MediPix2 + Micromegas fonctionne Source d’américium

Simulation de la longueur projetée Analyse en cours Longueur moyenne projetée sur le plan de pixels Nombre moyen de clusters attendus dans le gaz Calcul Monte Carlo Distribution en cos3θ.sinθ des muons Calcul de la longueur projetée (en mm) sur le plan de pixels (10x10 mm²) Comparaison avec les données de NIKHEF Simulation Analyse Monte Carlo Simulation NIKHEF Analyse NIKHEF 6,6 mm 6,0 mm 6,5 mm Accord satisfaisant

Conclusion Fonctionnement MediPix2+Micromegas pour l’observation de MIP est validé : prise de données très encourageante Applications en TPC Très bonne résolution spatiale Très bonne résolution en impulsion Séparation des traces en milieu de haute multiplicité Perte d’énergie est donnée par le nombre de clusters Manque l’information sur la 3eme coordonnée Prochains développements Remplacer les compteurs de chaque pixels par un compteur de temps (Time Digital Converter) Intégrer un dispositif MPGD TimePix1 TimePixGrid