Common ground in ILC and CLIC detector concepts
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Description
The Compact Linear Collider and the International Linear Collider will accelerate particles and create collisions in different ways. Nonetheless, the detector concepts under development share many commonalities.
CERN physicist Dominik Dannheim explains that the CLIC detector plans are adaptations of the ILC detector designs with a few select modifications. “When we started several years ago, we did not want to reinvent the wheel,” says Dannheim. “The approved ILC detector concepts served as an excellent starting point for our designs.”
Essential differences
Both CLIC and ILC scientists foresee general-purpose detectors that make measurements with exquisite precision. These colliders, however, have very different operating parameters, which will have important consequences for the various detector components. The ILC’s collision energy is set at 500 GeV (with an option to upgrade to 1 TeV), while CLIC will collide at up to 3 TeV. And the bunch structure is very different, too. The main difference is in the timing of the collisions. At the ILC electrons and positrons collide in bunch crossings spread out over bunch trains of almost a millisecond. At CLIC these bunch trains last for only 156 nanoseconds. So CLIC detectors will have a tougher job disentangling the rare physics events from the collision background.
The higher energy will give CLIC a greater physics reach, but will also create more unwanted background events with less time to disentangle background from more interesting phenomena. “Simulations have shown that a time resolution at the nanosecond level is needed for most sub-detectors at CLIC,” says Dannheim. “In this respect they will be similar to the ones currently in operation at the LHC, yet aiming for much higher granularity and measurement precision.”
Vertex detector
The detector component closest to the interaction point, where collisions occur, is the vertex detector. ILC concepts place a paper-thin pixel detector near the interaction point to improve the resolution of short-lived particles created in collisions.
The harsher background conditions at CLIC required a redesign of the inner detectors, which included moving the vertex detector further away from the interaction point. CLIC scientists are developing a different type of pixel detector for this region, where thin sensors are coupled to dedicated ultra-fast low-power readout chips (called CLICpix). This technology will help limit the number of overlapping background particles that inevitably blur the result. First prototypes of the newly developed CLICpix readout chip and of 50-μm-thin sensors have recently been produced, marking important milestones for the CLIC vertex detector project. The ultra-thin sensors will be under scrutiny in the DESY test beam telescope in the next two weeks*.
Two trackers
There are two detector concepts under consideration for the ILC, the International Linear Detector (ILD) and the Silicon Detector (SiD). CLIC scientists are also evaluating and modifying both ILD and SiD concepts.
In the ILD concept, a large chamber of argon gas –called a time projection chamber– will serve as the main tracker. When charged particles pass through, the surrounding gas ionises. The ionisation charge then drifts in an electric field to the chamber’s edge where it is amplified and recorded. This form of tracking offers more detail in seeing the full path of particles and could be advantageous in identifying long-lived particles that decay leaving a V-shape pattern. However, a time projection chamber takes a long time to receive a signal and the chamber itself requires more than 40 cubic metres of space.
The SiD tracker has a different set-up. In this concept, a silicon tracker with five layers of silicon sensors offers good resolution while interacting minimally with particles. This technology also offers a much faster response time, even if it creates a less detailed picture of certain particle decays. Options are open for a future CLIC detector.
Imaging calorimeters
Perhaps the most exciting element of both the CLIC and the ILC detector designs is the use of high-resolution calorimeters. The calorimeters will boast an unprecedented number of channels, allowing physicists to identify particle showers with greater accuracy than ever before.
“These are imaging calorimeters,” says Argonne scientist Marcel Demarteau. “They can take pictures layer by layer.” This kind of calorimetry is the current design of choice for many future detectors at electron-positron colliders, enabled by advances in technology that allow embedded integrated electronics and computing to handle the massive flow of data from millions of channels.
While sharing most parts of the calorimeter concepts with the ILC detectors, CLIC requires important changes to the hadronic calorimeters. Specifically, because of the high energy particles created at CLIC, a very dense material will be needed to efficiently absorb these particles. CLIC scientists are currently investigating tungsten, more than twice as dense as the commonly used steel, as an absorber material.
Overall, the ILC and the CLIC detector concepts share many of the same technological challenges. Dannheim points out that scientists involved with CLIC and the ILC are collaborating in many areas, such as simulation and reconstruction software, calorimeter development and mechanical integration. “There are many opportunities for synergy,” Dannheim says. “Though some of the technical challenges of the two projects are different, we all share the excitement of pushing the limits of detector technology, developing devices that can make a contribution to the future of particle physics.”
*This article was originally published in LC Newsline, the Newsletter of the Linear Collider Community, on 29 August 2013.
Other (French)
Le Collisionneur linéaire compact (CLIC) et le Collisionneur linéaire international (ILC) accéléreront des particules et généreront des collisions de manières différentes. Toutefois, les projets de détecteurs en développement présentent de nombreux points communs.
Contrôle approfondi des puces Timepix dans le faisceau d’essai du DESY avec l’aide du télescope de faisceaux.
Dominik Dannheim, physicien au CERN, explique que la conception des détecteurs du CLIC reprend la conception des détecteurs de l’ILC en y apportant quelques modifications. « Lorsque le projet a débuté, il y a quelques années, nous ne voulions pas réinventer la roue, note le chercheur. La conception validée des détecteurs de l’ILC a constitué un point de départ idéal pour notre projet. »
Différences essentielles
Qu’il s’agisse du CLIC ou de l’ILC, les physiciens attendent des détecteurs qu’ils soient polyvalents et capables de fournir des mesures d’une extrême précision. Toutefois, les paramètres de fonctionnement des collisionneurs seront très différents, ce qui aura d’importantes conséquences sur les différents éléments des détecteurs. Alors que l’énergie de collision prévue pour l’ILC est de 500 GeV (avec la possibilité de la porter à 1 TeV), les collisions du CLIC atteindront 3 TeV. La structure des paquets est également très différente. La distinction majeure réside dans la synchronisation des collisions. À l’ILC, les électrons et les positons entrent en collision par croisements de paquets répartis sur des trains de paquets de près d’une milliseconde. Au CLIC, en revanche, les trains de paquets ne durent guère plus de 156 nanosecondes. De ce fait, il sera plus difficile pour les détecteurs du CLIC de discerner les événements rares dans le bruit de fond des collisions.
L’énergie plus élevée du CLIC permettra d’approfondir l’exploration de la physique, mais générera également plus de bruit de fond indésirable. En outre, le temps à disposition pour déceler des phénomènes pertinents dans ce bruit de fond sera réduit. Pour Dominik Dannheim, « les simulations ont permis de constater que la plupart des sous-détecteurs du CLIC requièrent une résolution temporelle de l'ordre de la nanoseconde. De ce point de vue, ils seront semblables aux détecteurs actuellement en service au LHC, tout en visant une meilleure granularité et des mesures plus précises. »
Détecteur de vertex
Le détecteur de vertex est l'élément le plus proche du point d’interaction, où les particules entrent en collision. Le projet de l’ILC prévoit de placer près du point d'interaction un détecteur à pixels de l’épaisseur d’une feuille de papier afin d'améliorer la résolution de ces particules de durée de vie très courte.
Au CLIC, en raison des conditions peu favorables liées au bruit de fond, il a fallu repenser la conception des détecteurs internes et éloigner notamment le détecteur de vertex du point d’interaction. Les chercheurs du CLIC sont en train de développer un nouveau type de détecteur à pixels pour cette zone, dans laquelle des capteurs très fins sont couplés à des puces de lecture très rapides et de faible puissance spécialement prévues à cet effet (appelées CLICpix). Cette technologie permettra de limiter le nombre de chevauchements de particules dans le bruit de fond, qui brouillent inévitablement les résultats. Les premiers prototypes de puces de lecture CLICpix et de capteurs de 50 μm d’épaisseur ont été récemment réalisés, ce qui constitue une étape déterminante pour le projet du détecteur de vertex du CLIC. Durant les deux prochaines semaines*, les capteurs ultrafins seront passés au contrôle dans le télescope de faisceau d'essai de DESY.
Deux trajectographes
Deux projets de détecteurs sont à l’étude pour l’ILC : le Détecteur linéaire international (ILD) et le Détecteur au silicium (SiD). Les chercheurs du CLIC s’emploient aussi à revoir la conception des détecteurs ILD et SiD.
Dans le cas du projet ILD, une vaste chambre à argon – appelée chambre à projection temporelle – servira de trajectographe principal. Lorsque les particules chargées passent à travers le gaz, celui-ci s’ionise. La charge d’ionisation dérive alors dans un champ électrique jusqu’à l'extrémité de la chambre, où elle est amplifiée et enregistrée. Ce type de trajectographie offre une vision plus détaillée du parcours complet des particules et peut s’avérer utile pour identifier des particules de longue durée de vie qui se désintègrent en dessinant un motif en V. Toutefois, dans une chambre à projection temporelle, le temps de réception du signal est considérable et nécessite un volume de plus de 40 m3.
La configuration du trajectographe du SiD est différente. Cette conception de trajectographe au silicium, qui compte cinq couches de capteurs au silicium, permet une résolution de qualité et interagit très peu avec les particules. Grâce à cette technologie, le temps de réponse est beaucoup plus court, bien que l'image fournie de certaines particules en désintégration soit moins détaillée. De nombreuses possibilités existent s’agissant du futur détecteur du CLIC.
Les calorimètres « photographes »
L'utilisation de calorimètres de haute résolution est peut-être l'aspect le plus passionnant des détecteurs de CLIC et d’ILC. Ces calorimètres compteront un nombre record de canaux, ce qui permettra aux physiciens d'identifier les gerbes de particules avec une précision inédite.
« Ces calorimètres sont des systèmes d’imagerie, explique Marcel Demarteau, chercheur au Laboratoire national d’Argonne. Ils peuvent prendre des photos couche par couche. » Ce type de calorimétrie, qui est actuellement privilégié pour de nombreux futurs détecteurs de collisionneurs électron-positon, est possible grâce aux avancées technologiques qui permettent aux éléments électroniques intégrés et aux systèmes informatiques de gérer des quantités astronomiques d’informations provenant de millions de canaux.
Bien que la conception des calorimètres pour le CLIC soit proche de celle retenue pour l’ILC, des changements importants sont nécessaires pour les calorimètres hadroniques. Ceci s’explique par le fait que, pour absorber de manière efficace les particules de haute énergie générées au CLIC, il faudra un matériau très dense. Les chercheurs du CLIC s’intéressent actuellement au tungstène, deux fois plus dense que l’acier usuel, qui pourrait servir de matériau d’absorption.
Finalement, les projets de détecteurs du CLIC et de l’ILC doivent surmonter des difficultés techniques très semblables. Dominik Dannheim souligne que les chercheurs du CLIC et de l'ILC collaborent dans de nombreux domaines, par exemple les logiciels de simulation et de reconstitution, le développement des calorimètres et l'intégration mécanique. Il ajoute : « Les possibilités de synergie sont nombreuses. Bien que certains problèmes techniques soient différents d'un projet à l'autre, nous avons tous le même enthousiasme à repousser les limites de la technologie des détecteurs et à développer des instruments qui contribuent à faire avancer la physique des particules. »
*Cet article a initialement été publié dans LC Newsline, the Newsletter of the Linear Collider Community, le 29 août 2013.
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- 1599771
- CDS Report Number
- BUL-NA-2013-195
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