A 3D photograph with 92 million pixels for tagging particles
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Description
Where was a given particle born? How can we tag it precisely enough to be able to then follow it along its track and through its decays? This is the job of the pixel detector installed at the heart of the ATLAS detector, only centimeters away from the LHC collisions. In order to improve its identification and tagging capabilities, the ATLAS collaboration has recently taken a big step towards the completion of the upgrade of its Pixel detector, which will include the insertion of a brand-new layer of 12 million pixels.
The 7 metre long beryllium beam pipe inserted in the carbon-fibre positioning tool is being prepared ready for the new innermost layer of the Pixel detector to be mounted. Photo: ATLAS Collaboration.
With its three layers and 80 million channels concentrated in 2.2 square metres, the ATLAS pixel detector was already the world’s largest pixel-based system used in particle physics. Its excellent performance was instrumental in the discovery of the Higgs boson in July 2012. However, already at the time of its design, the collaboration had decided to add a fourth layer at a later stage. With the LHC running at full steam, the ATLAS collaboration very quickly decided to go for a tighter schedule and have the new detector installed by the restart of the LHC in 2014. “The tight schedule was a challenge for all the teams involved in the project,” says Beniamino Di Girolamo, ATLAS Technical Coordinator. “About 40 members of the ATLAS collaboration from several institutes worked - and are still working - very hard to meet the deadlines but nothing would have been possible without the help of CERN’s vacuum experts.”
Indeed, in order for the beam pipe to be inserted into the experiment’s structure, it had to be made smaller. The cylindrical tube used up to that point was too large and the new Pixel detector component would not fit inside the existing structure. This was a job for the Vacuum group in the Technology Department (TE-VSC). “In order to redesign the beam pipe for the ATLAS collision point we first had to consult several other groups, including collimation, machine protection and impedance experts,” explains Mark Gallilee, project leader for the TE VSC group responsible for beam pipes for the experiments. “The requirements of the ATLAS beam pipe were very specific. Because of the limited space we had to reduce the thickness of the aerogel layer, which thermally insulates the tube. We also had to develop a new type of removable vacuum flange so that the vacuum chamber could be removed from the new smaller space if necessary.”
At the beginning of August an important part of the job was completed with the insertion of the new beam pipe into the Pixel detector support structure. “During this operation, we had very little clearance and the different parts had to slide and move within a few millimetres. In some cases, we only had a 2 mm clearance and we had to align all the components with a precision of 10 microns,” says Didier Ferrère, deputy project leader for the new Pixel detector. In addition to the mechanical issues, the ATLAS experts also had to resolve some critical thermal issues. “230 degrees are needed to activate the NEG that ensures the correct level of vacuum in the beam pipe, while our Pixel detector operates at a temperature of around -20 degrees,” says Didier Ferrère. “We have run tests and simulations and are confident that the two environments – the new module and the new beam pipe – are compatible.”
The ATLAS team involved in the precision operation: the new beam pipe was succesfully inserted into the new Pixel detector. (Photo courtesy ATLAS Collaboration)
The result is worth the effort. The new ATLAS pixel system will be able to provide physicists with 40 million “3D snapshots” every second, with an accuracy of 92 million pixels. “It will be an amazing tool for us,” says Didier Ferrère. “The additional 12 million pixels of the new layer significantly increase our tagging capabilities, particularly when rare particles such as heavy quarks are involved. It strongly improves ATLAS tracking in particular at high luminosities. In the case of the b quarks, the tagging improvement is twice as good and these are among the particles whose formation and decay processes physicists consider crucial to the understanding of how nature works,” says Heinz Pernegger, project leader for the new Pixel detector.
The new detector will also compensate for possible failures of older modules that can be expected in a high-radiation environment. The installation of the new layer will be completed in time for the restart of the LHC.
Watch the video with animations about ATLAS Pixel detector and its components.
Other (French)
Quel est le lieu de naissance d'une particule donnée ? Comment peut-on l’étiqueter précisément pour être capable de la suivre en repérant sa trajectoire et sa désintégration ? Telle sera la mission du détecteur à pixels, installé en plein cœur du détecteur ATLAS, au plus près des collisions produites au LHC. Afin d'améliorer ses capacités d'identification et d'étiquetage des particules, la collaboration ATLAS a récemment fait un grand pas en avant dans l'amélioration de son détecteur à pixels, qui prévoit l'insertion d'une toute nouvelle couche de 12 millions de capteurs.
Le tube de faisceau en béryllium de 7 mètres de long est installé dans la structure d’assemblage. Il est prêt pour recevoir la nouvelle couche de pixels. Photo : ATLAS Collaboration.
Doté de trois couches et de 80 millions de canaux concentrés dans 2,2 mètres carrés, le détecteur à pixels d'ATLAS était déjà le plus grand système à capteurs utilisé en physique des particules existant dans le monde. Ses excellentes performances ont été décisives dans la découverte d’un boson de Higgs, en juillet 2012. Dès le stade de conception, la collaboration avait pourtant déjà prévu l'ajout ultérieur d'une quatrième couche. Alors que le LHC fonctionnait à plein régime, la collaboration ATLAS a très vite décidé de resserrer son calendrier et de programmer l'installation du nouveau détecteur avant le redémarrage du LHC en 2014. « Ce calendrier très serré a été un vrai défi pour toutes les équipes participant au projet, souligne Beniamino Di Girolamo, coordinateur technique d'ATLAS. Une quarantaine de personnes de la collaboration ATLAS venant de différents instituts ont travaillé d’arrache-pied pour tenir les délais, mais rien n'aurait été possible sans l'aide des experts du vide du CERN. »
En effet, pour que le tube de faisceau puisse être inséré dans la structure du détecteur, il a fallu le rétrécir. Le tube cylindrique utilisé jusqu'à présent était trop large et les nouveaux composants du détecteur à pixels n'auraient pas tenu à l'intérieur de l'ancienne structure. C’est là qu’intervient le groupe Vide du département Technologie (TE-VSC). « Afin de reprendre la conception du tube de faisceau au niveau du point de collisions d'ATLAS, nous avons dû tout d'abord consulter plusieurs autres groupes, notamment des experts dans les domaines de la collimation, de la protection de la machine et de l’impédance, explique Mark Gallilee, chef de projet du groupe TE-VSC et responsable des tubes de faisceau pour les expériences. Les exigences à respecter pour le tube de faisceau d'ATLAS étaient très particulières. En raison de l'espace limité, nous avons dû réduire l'épaisseur de la couche d'aérogel, l'isolant thermique du tube. Nous avons dû également développer un nouveau type de bride amovible, permettant d’extraire si nécessaire la chambre à vide de ce nouvel espace plus restreint. »
Une part importante de la mission a été accomplie au début du mois d'août, avec l'insertion du nouveau tube de faisceau dans la structure de support du détecteur à pixels. « Il y avait très peu d'espace pour réaliser cette opération, les différentes parties ont dû être glissées et déplacées avec une marge de manœuvre de quelques millimètres. Dans certains cas, il y avait seulement 2 mm de libre, et tous les composants ont dû être alignés avec une précision de 10 microns », précise Didier Ferrère, chef de projet adjoint pour le nouveau détecteur à pixels. En plus des contraintes mécaniques, les experts d'ATLAS ont dû résoudre d'importants problèmes thermiques. « Il faut une température de 230 degrés pour activer le NEG, qui permet d’atteindre la qualité de vide requise dans le tube de faisceau ; or le détecteur à pixels fonctionne autour de – 20 degrés, ajoute Didier Ferrère. Des essais et des simulations sont en cours, et nous sommes confiants quant à la compatibilité entre ces deux environnements - le nouveau module et le nouveau tube de faisceau. »
L’équipe ATLAS participant aux opérations de précision: le nouveau tube à vide a été inséré dans le nouveau détecteur à pixels. Photo : ATLAS Collaboration.
Et le résultat en vaut la peine : le nouveau système à capteurs d'ATLAS sera en mesure de fournir aux physiciens 40 millions d'images en 3D par seconde, avec une précision de 92 millions de pixels. Pour Didier Ferrère, « Cela va être un instrument incroyable ; les 12 millions de capteurs supplémentaires de la nouvelle couche vont sensiblement augmenter nos capacités d'identification des particules, notamment dans le cas de particules rares comme des quarks lourds. » « Dans le cas de l’étiquetage des quarks b, c’est deux fois mieux, précise Heinz Pernegger, chef de projet pour le nouveau détecteur à pixels. Or les physiciens considèrent que l’étude de la formation et de la désintégration de ces particules est cruciale pour la compréhension de la matière ».
Le nouveau détecteur a également été conçu pour compenser d’éventuelles défaillances de modules plus anciens, prévisibles dans un environnement hautement radioactif. L'installation de la nouvelle couche sera achevée à temps pour le redémarrage du LHC.
Voir la vidéo (disponible en anglais seulement) sur le détecteur à pixels d’ATLAS et ses éléments.
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- 1595294
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- BUL-NA-2013-181
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