COM-FLCD-2016 - LAPP

Modèle EDMS : I-011163 Vers.01 1/14
 CONTRAT OBJECTIFS ET MOYENS ENTRE LE LAPP ET LE GROUPE FLCR&D
Date du précédent contrat d’objectif validé
Type de projets
R&D Technologiques
Expériences
Contrat d’objectifs pour la période
Du
01/01/2016
Au
01/01/2019
Avis du Conseil
Le
Cf. CR
Historique des modifications du document
Version du
Rédigée par
Commentaires, Description, Objet
Diffusion
13/01/2016
Max + Yannis
Objet / Avant propos
Ce document permet au laboratoire de s’assurer de la compatibilité des engagements du groupe par rapport à
l’ensemble du programme expérimental du laboratoire. Il précise les objectifs que le groupe et le laboratoire se fixent
pour contribuer de façon significative à l'expérience ainsi que les moyens à mettre en œuvre. Il s’articule autour de
grands thèmes dont 2 nécessitent une attention plus particulière du conseil de laboratoire :
1. Présentation succincte du projet général
2. Contribution LAPP actuelle et passée
3. Contributions LAPP à venir et demandes
4. Financement
5. Références
6. Engagement de la direction
Il s’agit de concevoir un document lisible en interne et en externe et de simplifier autant que possible le
travail du Conseil de laboratoire, de la direction et du porteur du projet en proposant une trame qui
facilitera les discussions. Se référer au document de gestion d’un contrat d’objectifs et de moyens.
A noter que certains des paragraphes peuvent être supprimés ou laissés vide selon les besoins et l’état
du contrat d’objectif (premier contrat, mise à jour, modification)… Les textes dans cette police devront
être supprimés : ce sont des guides de rédaction.
Date de dernière modification
7/12/2015

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1 Présentation succincte du projet R&D détecteurs pour
LC
Depuis 2006, le groupe Linear Collider Detector (LCD) développe des détecteurs Micromegas pour
une calorimétrie ultra-granulaire auprès d'un futur collisionneur à électrons. Ce type de calorimétrie
permettrait d'atteindre une résolution excellente sur l'énergie des jets en séparant lors de la
reconstruction les signaux de gerbes de particules chargées et neutres (méthode dite du Particle
Flow). L'ambition première du groupe était la construction et la caractérisation d'un prototype
réaliste de calorimètre hadronique (HCAL) utilisant des chambres Micromegas de 1x1 m2 dotées de
damiers d'anode de 1x1 cm2 et d'une lecture à 2-bits (ou 3 seuils). Dans cette optique, quatre
prototypes ont été construits. Ils répondent aux principales exigences du cahier des charges d'un
ILC comme l'épaisseur de moins de 1 cm par couche active, l'intégration de l'électronique frontale
au plus prés du milieu sensible (littéralement entre les absorbeurs), l'auto-déclenchement et
l'alimentation pulsée (ou power-pulsing).
En parallèle du travail sur les Micromegas de grande taille, le groupe se consacre depuis 2011 sur
les Micromegas à anode résistive qui permettent d'éviter la formation d'arcs électriques entre les
bornes du détecteur. Contrairement à leurs prédécesseurs, ces Micromegas ne nécessitent pas de
circuits de protection de l'électonique frontale. Leur dessin est donc plus simple et leur fabrication à
grande échelle moins coûteuse. Toutefois, les règles régissant leur comportement sont aujourd'hui
peu connues. Après validation du concept de protection résistive sur quelques prototypes dessinés
sur des bases empiriques, une étude systématique des propriétés des Micromegas résitifs est menée
depuis 2014. Cette R&D générique ouvre de nouvelles perspectives car elle permet d'envisager des
applications à très haut flux, dans des gaz purs ou dans l'air. Elle dépasse du cadre LC/HCAL et
pourrait être capitalisée dans les upgrades LHC, dans des prototypes de TPC argon liquide ou par
des applications hors de la physique des hautes énergies (muographie).
Le détecteur Micromegas consiste en un volume gazeux plan séparé en deux régions par une fine
grille d'acier de 20 μm d’épaisseur. Les électrons libérés dans la région de faible champ électrique
(3 mm, 400 V/cm) dérivent vers la grille et pénètrent dans la région de fort champ (128 μm, 40
kV/cm) où ils sont multipliés par effet d'avalanche. Le plancher d'anode est segmenté en damiers
conducteurs qui permettent une mesure de la charge totale des avalanches, de leur position et du
moment où elles se sont produites. Le Micromegas résistif intègre en plus un fin dépôt résistif sur la
surface des damiers. La capacité de ce film lui permet de se charger et lorsque la charge des
avalanche devient trop importante, le champ électrique est localement réduit. L'étincelle est alors
avortée. L'exédent local de charge est ensuite évacué suivant une constante de temps RC qui
détermine entre autre, la tenue en flux du détecteur.
La méthode de fabrication (dite Bulk) fournit un détecteur robuste où la grille est solidaire du circuit
imprimé d'anode (ou PCB). Les Micromegas sont utilisés principalement comme trajectographes en
physique appliquée et en physique des particules. Par exemple pour la recherche de matière noire
(plan focal du télescope à axions CAST), l'étude de la matière hadronique (spectromètre de
COMPASS au CERN) et la mesure des oscillations de neutrinos (TPC du détecteur proche de
T2K). Ils ont été choisis pour le remplacement des chambres à muons d'ATLAS dans la région vers
l'avant et sont pressentis pour la TPC d'une des deux expériences auprès d'un ILC (expérience ILD).
Le groupe du LAPP est le premier à étudier les Micromegas pour la calorimétrie sur collisionneurs.
Depuis quelques années, il a été rejoint par Demokritos (Athènes) et l'IRFU (Saclay). Egalement, le

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groupe R&D détecteurs de l'institut Weizmann (Israel) s'est lancé sur une
technologie alternative aux Micromegas, des THGEM resistifs.
1.1 ETAT ACTUEL DU PROJET
En 2012 le Japon a annoncé sa volonté d'héberger un ILC mais une décision définitive pour
construire cet accélérateur attendra l'examen attentif des données du LHC à 14 TeV qui pourraient
révéler une physique au-delà du modèle standard. Malgré la conjoncture économique en France et
la priorité donnée aux upgrades du LHC par nos instances scientifiques, il est primordial de
maintenir une activité minimale de R&D en vue d'une possible réalisation d'un LC ou en vue
d'autres applications (e.g. muographie). Cela afin de maintenir un contact avec les collaborations
internationales de R&D au sein desquelles les résultats du LAPP sont reconnus. Dans la continuité
des COM précédents, notre objectif reste l'optimisation des prototypes Micromegas pour un HCAL
ultra-granulaire à seuils. Cet axe de R&D est décrit dans les prochains paragraphes. Les autres
pistes explorées seront ensuite mentionnées. Bien que distinctes d'un projet LC/HCAL, elles restent
une source de financement potentielle pour celui-ci et figurent donc dans ce document.
1.1.1 Micromegas pour la calorimétrie ultra-granulaire
Ce projet peut être divisé en trois périodes de R&D, chacune motivée par un contrat objectifs et
moyens. La première (2006-2009) est celle de la caractérisation de petits prototypes Micromegas à
lecture analogique. La deuxième (2010-2012, financement ANR-SDHCAL) a vu la construction et
le test de grands prototypes de 1x1 m2 dotés d'une électronique à 3 seuils et embarquée (les puces
sont soudées sur le PCB d'anode). La période 2013-2015 est celle de l'optimisation de ces
prototypes pour un coût compétitif aux technologies concurrentes. Cet objectif est partiellement
rempli, le travail qui reste à accomplir est décrit dans ce document. Mais avant, nous décrivons la
position de notre R&D dans les collaborations de détecteurs et présentons les résultats majeurs
obtenus ces trois dernières années. Enfin, nous détaillons notre projet pour 2016 -2017 et notre
demande de moyens.
Micromegas dans la collaboration CALICE
La collaboration CALICE rassemble 55 instituts de 19 pays et compte environ 350 chercheurs,
ingénieurs et techniciens. Elle coordonne depuis 2001 les développements de calorimètres ultra-
granulaires pour la réalisation du programme de physique d'un collisionneur linéaire à électrons
opérant entre 90 GeV et 1 TeV. Elle s'ouvre depuis quelques années à la communauté LHC qui
s'intéresse aux technologies CALICE et à l'avantage d'une segmentation fine pour l'opération à très
haute luminosité (essentiellement dans les régions vers l'avant).
Les technologies à l'étude dans CALICE sont d'une part les scintillateurs (couplés à des SiPM) et le
gaz (RPC et Micromegas) pour un HCAL acier ou tungstène. D'autre part, le silicium pour un
ECAL tungstène. L'IN2P3 est impliqué sur les options gaz (IPNL, LAPP, LPC, LLR) et silicium
(LLR, LAL, LPSC, LPNHE). Ces options se répartissent sur deux concepts de détecteurs : l'ILD et
le SiD (collaboration à majorité américaine dont le LAPP fait partie). Pour le HCAL, l'option la
plus avancée technologiquement est la RPC mais la mieux comprise et documentée est l'option
scintillateur. Deux prototypes HCAL-RPC de 40-50 plans de 1x1 m2 ont été construits ainsi qu'un
prototype HCAL-scintillateur de taille comparable. La perspective d'un HCAL-Micromegas (de
taille plus modeste) est envisageable avec la participation d'autres collaborateurs. Un tel prototype
permettrait de hisser la technologie Micromegas au même rang que les technologies concurrentes.

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Micromegas dans la collaboration RD51
RD51 est une collaboration dédiée aux détecteurs à micro-structures
comme le Micromegas et le GEM (Micro Pattern Gas Detectors ou MPGD). Elle réunit 75 instituts,
25 pays et environ 450 personnes autour des problématiques de dessin, de performance, de
simulation et d'électronique. Elle propose également des plateformes de test au CERN (ligne
faisceaux, appareillage de laboratoire). Les axes de recherche principaux sont la conception de
détecteurs de grande taille (~ m2) et la suppression des étincelles. Deux axes où l'expertise du LAPP
est reconnue. Nous sommes par ailleurs les précurseurs d'une calorimétrie MPGD et collaborons 0
ce titre avec des laboratoires grec (Demokritos), français (Irfu) et israélien (Weizmann).
1.1.2 Micromegas de grande taille et SDHCAL, testbeam et simulation
En novembre 2012, 4 prototypes Micromegas et 46 RPC de 1x1 m2 ont été testés sur les faisceaux
du CERN dans une structure mécanique de 50 couches d'acier. Le système de lecture de ce HCAL à
3 seuils (semi-digital HCAL ou SDHCAL) fut développé au LAPP. Compatible avec l'électronique
des Micromegas et des RPC, il permet une prise de données synchronisée avec ces deux types de
détecteurs. Deux publications à ce sujet sont parues dans le journal Nuclear Instrumentation and
Methods (NIM) en 2013 et 2014. Une troisième est en préparation. Le groupe du LAPP s'est investi
dans l'analyse des données des Micromegas comme des RPC dans le but de comparer les deux
technologies. Le framework de reconstruction et d'analyse est propre au LAPP. Il a permis de
produire les premiers résultats du SDHCAL qui ont circulé dans CALICE.
Il apparaît que le bruit électronique des Micromegas est plus faible (nombre de voies bruyantes <
0.1 %, taux d'occupation 25 fois inférieur) et uniforme (pas de « points chauds »). Les Micromegas
présentent également une réponse (ou gain) spatialement plus uniforme. Cette réponse est
indépendante de l'intensité du faisceau contrairement aux RPC dont le champ électrique
d'amplification décroit rapidement avec le courant (du fait de la forte résistivité des plaques en verre
qui les composent). Cette dépendance est à prendre en compte lors de la calibration du calorimètre
et de la reconstruction de l'énergie (passage du nombre de hits en GeV). Sur un collisionneur, cela
signifie que la calibration dépend de la luminosité et de la distance par rapport au point
d'interaction.
L'analyse des données met aussi en lumière la non-linéarité du signal RPC qui sature au delà d'une
certaine densité de charge dans le gaz. Ainsi, les seuils supérieurs (lecture à 2-bits) n'apportent que
peu d'information supplémentaire sur l'énergie par rapport à un seuil unique. Les Micromegas
fonctionnent en mode proportionnel car la charge y est inférieure de 4 ordres de grandeur et la
résistivité des électrodes est négligeable (pour des Micromegas non-résistifs). Ils permettraient donc
en principe une meilleure compensation du SDHCAL. D'autres aspects techniques plaident en
faveur des Micromegas comme la simplicité du mélange gazeux (Ar/CO2 90/10 contre
TFE/CO2/SF6 93/5/2) et de la distribution des tensions (700 V contre 7 kV).
La comparaison entre les données de test et de simulation Geant4 montre que ce programme décrit
le développement des gerbes hadroniques à 10-20 % près (sur une gamme d'énergie de quelques
GeV à 150 GeV). Le groupe a donc utilisé Geant4 pour mieux comprendre les performances et les
limites d'un SDHCAL. Ces résultats seront inclus dans la troisième publication. Ils concernent
principalement les sources de saturation d'un HCAL digital (taille de damiers, fraction
électromagnétique) et les moyens de l'atténuer (compensation multi-seuils, densité locale de hits,
traces).