poster 1 - CMS DocDB Server

POSTER 1
Détecteur CMS
DÉTECTEUR CMS
Poids total : 14 000 tonnes
Diamètre : 15 m
Longueur : 28,7 m
Champ magnétique : 3,8 T
CULASSE DE RETOUR EN ACIER
12 500 tonnes
TRAJECTOGRAPHE
Pixels ~16 m2, ~ 66 M canaux
Pistes ~200 m2, 9,6 M canaux
AIMANT SUPRACONDUCTEUR (SOLÉNOÏDE)
Bobine en niobium-titane transportant ~18 000 A
CALORIMÈTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE (ECAL)
~76 000 monocristaux de scintillateur en tungstate de plomb
~16 m2 de pistes de silicium, 137 000 canaux
CALORIMÈTRE HADRONIQUE (HCAL)
~7 000 canaux de scintillateur plastique et laiton
~2000 canaux de fibres en quartz et acier tubes à dérive
CHAMBRES À MUONS
250 tubes à dérive
912 chambres à plaques résistives
468 chambres à pistes cathodiques
CMS est un gigantesque détecteur de particules, situé à 100 m sous terre. Le détecteur lui-
même, de forme cylindrique et constitué, comme un oignon, de plusieurs couches, est construit
autour de l’un des quatre «points de collision » du LHC. Les particules produites par les
collisions de protons traversent ces couches et laissent leur trace sur les différents sous-
détecteurs de CMS.

POSTER 2
Aimant CMS
Bobine supraconductrice
Photo 1: Assemblage à la verticale des modules de la bobine de CMS
Photo 2: Basculement de la bobine dans le hall de construction
Photo 3: Introduction de la bobine dans son cryostat situé dans l’anneau central YB0
Photo 4: L’aimant de CMS prêt à être testé
Photo 5: Descente de l’anneau central muni de la bobine de l’aimant dans UXC55 :
2000 tonnes descendues à 100m d’un seul coup
Photo 6: L’anneau central et le cryostat recouverts des câbles et circuits de
refroidissement des détecteurs, en position finale dans la caverne expérimentale
Un courant électrique de 18 000 ampères circule dans une bobine de 13 m de long et de 6 m de
diamètre, constituée de niobium-titane, matériau supraconducteur refroidi à -270°C, et qui
produit un champ magnétique de 3,8 teslas (environ 100 000 fois plus élevé que le champ
magnétique terrestre). Ce champ magnétique courbe les trajectoires des particules chargées, ce
qui permet de les trier et de mesurer leur impulsion. Une énergie de 2,7 gigajoules est stockée
dans la bobine, ce qui est à peu près équivalent à l’énergie cinétique d’un Airbus A320 en vol.
En incluant la culasse (roues rouges), l’aimant pèse 12 500 tonnes, soit deux fois plus que la
tour Eiffel.
POSTER 3
Sous-détecteur CMS
Trajectographe
Photo 1: Pixel de silicium
Photo 2: Modules formés de pistes de silicium
Photo 3: Tonneau du trajectographe
Photo 4: Bouchon du trajectographe
Photo 5: Trajectographe à pixels
Comment le trajectographe fonctionne-t-il ?
Lorsque les particules chargées, telles que les électrons, traversent CMS, leurs
trajectoires sont courbées par le fort champ magnétique. Plus leur impulsion (~vitesse)
est élevée, moins leur trajectoire est courbée. Lorsque les particules chargées les
traversent, les couches de capteurs de silicium délivrent des signaux précisément
positionnés (à mieux que 10 µm). Par interpolation des points, les programmes
informatiques révèlent les traces et mesurent l’impulsion des particules.
Traces provenant de dizaines de collisions créées dans CMS. Ces dessins/événements se
produisent 40 millions de fois par seconde et le trajectographe, grâce à sa haute résolution

en position, est déterminant pour séparer les vertex primaires et secondaires (provenant des
désintégrations de particules).
Comment le trajectographe fut-il bâti ?
Photo 1: Les capteurs sont découpés à partir de tonneau galettes de silicium circulaires.
Photo 2: L’électronique est soudée aux capteurs pour former des modules.
Photo 3: Des “barrettes“ multiples forment la partie extérieure du tonneau.
Photo 4: Les capteurs en pixels ont été transportés au CERN depuis les Etats-Unis.
Photo 5: Deux capteurs sont connectés par des fils de 25 µm.
Photo 6: Les modules complets sont placés en quinconce – dans ce cas un
“pétale“ d’un bouchon.
Photo 7: Installation du trajectographe à pistes.
Photo 8: Installation du détecteur à pixels autour du tube à vide de CMS.
Près de 17 000 capteurs en silicium finement segmentés (pistes et pixels) permettent de
suivre la trajectoire des particules chargées et de mesurer leur impulsion. Ces capteurs
permettent aussi de repérer à quel endroit se désintègrent les particules instables à
longue durée de vie. Alors que la surface totale recouverte par ces capteurs de silicium
(d’une épaisseur d’environ 300 µm) est à peu près celle d’un terrain de tennis, chacune
des quelques 10 millions de pistes est plus étroite qu’un cheveu (environ 20 µm).
Chacun des 66 millions de pixels situés au cœur de CMS ne mesure que 150 µm x 100
µm. Ils permettent de mesurer les trajectoires de particules en 3 dimensions.
POSTER 4
Sous-détecteur CMS tonneau
Calorimètre électromagnétique (ECAL)
Photo 1: Tonneau du ECAL
Photo 2: Détecteur de pied de gerbe du bouchon
Photo 3: Bouchon du Ecal
Photo 4: Crystal de tungstate de plomb du ECAL, avant et après coupe et polissage
Photo 5: Capteur en silicium du détecteur de pied de grebe
Comment le ECAL fonctionne-t-il ?
Photo captions:
Electron / photon entrant
Cristal de PbWO4
Détecteur de lumière
Les électrons et photons entrant perdent toute leur énergie dans les cristaux de PbWO4
produisant une gerbe de particules. De la lumière est produite par la gerbe et recueillie
par des photo-détecteurs (photodiodes à avalanche –APD- dans le tonneau et photo-
triodes à vide –VPT- dans les bouchons) collés à l’extrémité des cristaux. L’amplitude

de la lumière est proportionnelle à l’énergie de l’électron ou photon, c’est-à-dire : plus
d’énergie = plus de lumière.
Comment le ECAL a-t-il été bâti ?
Photo 1: La croissance d’un cristal de PbWO4 prend environ deux jours.
Photo 2: Après coupe et polissage, la qualité des cristaux est contrôlée.
Photo 3: Les photo-détecteurs sont collés sur les cristaux et insérés dans les structures
de support.
Photo 4: 1700 cristaux sont regroupés.
Photo 5: L’électronique, les systèmes de monitorage, de sécurité et de refroidissement
sont rajoutés > Prêts à être installés.
Photo 6: Des groupes de cristaux pris 5 à 5 sont montés sur un bouchon.
Photo 7: Les capteurs en silicium du détecteur de pied de gerbe sont soudés sur
l’électronique de lecture.
Photo 8: Un demi-disque du détecteur de pied de gerbe prêt à être installé.
Le calorimètre électromagnétique (ECAL) contient 75848 cristaux de tungstate de plomb
(PbWO4, à 86% métallique mais complètement transparent) qui permettent de mesurer
précisément l’énergie des électrons et des photons dans le tonnea u et les bouchons de
CMS. Les dimensions des cristaux sont, dans le tonneau, 2,2 x 2,2 x 23 cm3, et dans
les bouchons, 2.9 x 2.9 x 22 cm3. Un détecteur de pied de gerbe, comportant 4288
capteurs en silicium mesurant chacun 6,1 x 6,1 x 0,03 cm3, permet d’identifier les
particules dans les bouchons.
POSTER 5
Sous-détecteur CMS
Calorimètre hadronique (HCAL)
Photo 1: Les fibres optiques transportent les signaux des particules détectées par le
HCAL
Photo 2: Les modules de lecture formés de photomultiplicateurs en silicium (SiPM)
amplifient le signal
Photo 3: Tonneau du HCAL
Photo 4: Bouchon du HCAL
Photo 5: Calorimètre sur l’avant du HCAL
Comment le HCAL fonctionne ?
(Photo caption: …vers le photo detecteur)
Les scintillateurs plastiques ou les fibres de quartz intercalés entre les couches
d’absorbeur dense (laiton ou acier) sont utilisés pour déterminer l’énergie des hadrons
provenant des collisions du LHC. Les matériaux scintillants produisent un signal
proportionnel au nombre de particules chargées qui les traversent. Quand une particule
hadronique rencontre une plaque d’absorbeur, de nombreuses particules secondaires

sont créées. Celles-ci traversent des couches successives d’absorbeurs formant une
cascade ou “gerbe” de particules. Lorsque les couches de scintillateur plastique sont
traversées par cette gerbe, elles émettent une lumière bleue violette. Les fibres optiques,
d’un diamètre inférieur au millimètre, insérées dans les tuiles scintillantes absorbent
cette lumière et la transforment en lumière verte transportée alors par des fibres
transparentes jusqu’aux photodétecteurs.
Comment le HCAL fut-il bâti ?
Photo 1: Les scintillateurs munis de leurs fibres forment des mega-tuiles du tonneau du
HCAL.
Photo 2: Le tonneau du HCAL est composé de 36 secteurs, chacun pesant autant que 6
éléphants.
Photo 2: Plus d’un million de douilles d’obus de la marine russe de la 2e guerre
mondiale ont été converties en composants des bouchons du HCAL.
Photo 3: Un disque des bouchons du HCAL pendant sa construction.
Photo 4: Modules de test des fibres de quartz du calorimètre hadronique sur l’avant.
Photo 5: Le calorimètre hadronique sur l’avant fut la première pièce de CMS descendue
dans la caverne.
Le calorimètre hadronique (HCAL) mesure l’énergie des hadrons, c’est-à-dire des
particules composites telles que les protons, les neutrons, les kaons et les pions,
constituées de quarks et de gluons. De plus, il permet de déceler indirectement la
présence de particules neutres n’interagissant que très faiblement comme les neutrinos.
À l’exception des muons et des neutrinos, le HCAL est conçu pour arrêter toutes les
autres particules produites dans les collisions au cœur de CMS. Le calorimètre
hadronique comporte 70 000 tuiles regroupées dans des plaques de scintillateur
introduites entre des couches de laiton et 450 000 fibres de quartz insérées dans une
matrice d’acier.
POSTER 6
Sous-détecteur CMS
Chambres à muons
Photo 1: Chambres à tubes à dérive (DT) et chambres à plaques résistives (RPC)
insérées dans la région centrale
Photo 2: Chambres à plaques résistives (RPC) dans les bouchons de CMS
Photo 3: Câblage des chambres à muons de CMS
Photo 4: Câblage des chambres à muons de CMS
Photo 5: Chambres à pistes cathodiques (CSC) dans les bouchons de CMS
Quels sont les types de chambres à muons dans CMS ?