CALORIMETRE ELECTROMAGNETIQUE

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1 CALORIMETRE ELECTROMAGNETIQUE
CMS CALORIMETRE ELECTROMAGNETIQUE Jean-Pierre Ernenwein IPN Lyon

2 PHYSIQUE A CMS LHC : collisionneur proton-proton et ions lourds
Energie dans le centre de masse : 14 TeV/charge 4 expériences : ATLAS, ALICE, LHCB, CMS CMS (Compact Muon Solenoid) est une expérience généraliste Début de l’acquisition prévu pour 2005, pour une durée de 10 ans. Luminosité des 3 premières années : 10 fb-1 par an Ensuite : ~ x 10 Physique envisagée : Recherche de particules : Higgs, SUSY Physique du B Ions lourds

3 Le détecteur CMS

4 PERFORMANCES A BASSE LUMINOSITE : Higgs :
Requiert une bonne résolution : ET B axial = 4 T croisements à 40 MHz radiations : tonneau : Gy/h, bouchons : jusqu’à 15 Gy/h arrière des cristaux : neutrons/cm2/h neutrons/cm2/h Tungstate de plomb (rapide, résistant aux radiations , dense) + APD (Avalanche PhotoDiodes, tonneau) : gain, insensibles à B + VPT (Vacuum PhotoTriodes , bouchons) : gain, résistant aux radiations

5 DESINTEGRATION DU HIGGS

6 Situation à LEP II et Tevatron
MH > Aleph GeV Delphi GeV L GeV OPAL GeV Tevatron (E cdm = 2 TeV) : Jusqu ’à 200 GeV avec RUN II et III ( )

7 PRODUCTION DU HIGGS

8 PHYSIQUE Higgs 130 GeV en 2 photons significance>5 entre 100 et 150 GeV

9 Séparation p0 photons simulation dans une matrice (geant 3.21) avec B=4 T bruit électronique : 50 MeV/canal réseau de neurones : entrées : énergies des cristaux : 8, cachés sortie : probabilité p0-g résultat : 93 % d ’efficacité pour 52 % de réjection à 50 GeV

10 Higgs a LHC

11 Devant le calorimètre ... Bouchons : + preshower à 1.653<h<2.6 , ~3 X0 Réjection p0 g sur l’avant

12 TUNGSTATE DE PLOMB : PbWO4
AVANTAGES 26 longueurs de radiation dans 23 cm (tonneau), bouchons : 22 cm rayon de Molière = 21.9 mm, densité = 8.2 CALORIMETRE COMPACT rapide : 85% du signal lumineux émis en 20 ns, l ~ 430 nm résistant aux radiations : perte saturant à moins de 5% sous 0.15 Gy/h MAIS Taux de lumière très faible : ~ 60 photons/MeV pour un cristal lecture avec APDs (gain 50) et VPTs (gain 6-8 dans 4T) température : oC Sensibilité en température des cristaux et APDs (~ -2%/oC) Contrôle en température à 0.1 °C

13 environnement

14 Emission et transmission du tungstate de plomb
Scintillation non affectée Transmission déteriorée Uniformité non affectée irradiation

15 ABSORPTION + GEOMETRIE
Non uniformité ABSORPTION + GEOMETRIE Muons et cobalt 60 DEPOLISSAGE

16 Non uniformité traitement

17 TAUX DE LUMIERE Dépendance en température : Dépendance % radiations

18 Courbe de gain d’une APD
PHOTODETECTEURS Courbe de gain d’une APD

19 PHOTO DETECTEURS : APDs et VPTs
APDs actuellement (Hamamatsu): pas d’influence de B, eq~ 80% gain 50, dM/dV ~ 7%/V , dM/dT ~-2.3%/oC surface = 25 mm APDs = 50 mm2 et 4 pe/MeV radiations I inverse bruit électronique 2 après 10 ans. Capacité ~ 120 pF, F~2-2.5 Prévu (cette année) : 1/M.dM/dV ~ 5%/V VPTs (Hamamatsu, RIE St. Petersbourg, Electron Tubes Ltd) : meilleure résistance aux radiations que les APDs, 250 mm2 chute du gain d’un facteur 2 dans B axial de 4 T, eq~ 15% dM/dV < 0.1%/V , dM/dT < 1%/oC, C~ qq pF, F~1.5-2

20 Photodiodes à avalanche

21 Comparaison EGG et HAMAMATSU

22 Préamplificateur et compresseur (gains 1,4,8,32) : F.P.P.A.
LECTURE DES PHOTODETECTEURS : F.P.P.A. + ADC + lien optique ELECTRONIQUE FRONTALE RESISTANTE AUX RADIATIONS (DMILL, HARRIS) & faible consommation Préamplificateur et compresseur (gains 1,4,8,32) : F.P.P.A. ADC : 40 MHz, 12 bits (A.D. 9042) + compresseur bits sérialiseur (800 Mbit/s) et envoi des données par lien optique numérique

23 Compresseur

24 SIGNAL compressé reconstruit

25 CONTRIBUTIONS A LA RESOLUTION
Bruit électronique : photodétecteur (C, I inverse) Préamplificateur Fluctuations de gerbe, photostatistique, photodétecteur (bruit en excès : facteur F) Calibration : Evolution des cristaux Evolution de l ’électronique Sensibilités %T, %V(cristaux, APD)

26 STRUCTURE DU ECAL TONNEAU GRANULARITE : 360 (f) x 170 (q) cristaux
sous module = 2x5 cristaux , alvéole réfléchissante, + tablette module = 10x4 (5) sous modules = 400 (500) cristaux, + grille + panier supermodule = 4 modules supermodules = cristaux BOUCHONS 7810x2 cristaux groupés en supercristaux (unités de 5x5 ou moins) TOTAL : cristaux

27 MODULE ET SOUS MODULE Module, vue en h

28 PROTOTYPE 1998, CERN Eléments de mécanique finale
électronique non résistante aux radiations test cristal + APD + PA et ADC 13 bits distant

29 Calibration et Monitoring
Calibration de tous les cristaux dans leur module sur faisceau test au CERN, avant installation du détecteur. Suivi en lumière (lasers) de l’évolution des cristaux et de leur électronique de lecture. Test pulse. calibration IN SITU avec la physique 1.4 nb, 0.3 Hz pour le tonneau (HL) E/p avec des électrons mesurés par le trajectomètre, Hz (HL) Basse luminosité, 35 jours cartographie de tous les cristaux Intercalibration meilleure que 0.3 %

30 MONITORING

31 CONCLUSION La production des cristaux a commencé. Le constructeur des APDs est choisi , sa R&D doit se terminer fin 99. Eté 99, 30 voies testées avec électronique résistante aux radiations (F.P.P.A, ADC) et lien optique commercial. Construction de 400 voies pour module “0” en 2000 : module “0”, voies équipées LHC