Au CERN, près de Genève, de minuscules particules sont projetées les unes contre les autres aux plus hautes énergies afin d’élucider les grandes questions de l’Univers. Les détecteurs qui enregistrent ces collisions ont besoin de mises à niveau régulières. Lea Caminada et son groupe de recherche Physique des hautes énergies jouent un rôle important dans ce domaine à l'Institut Paul Scherrer PSI.
Dans un laboratoire spacieux, situé au troisième étage d’un bâtiment qui vient d’être construit juste à côté de l’Institut Paul Scherrer, trône une moitié du détecteur qui a permis de mettre en évidence le boson de Higgs. En 2012, l’existence de cette particule élémentaire, recherchée depuis des décennies, a été confirmée expérimentalement au CERN, marquant ainsi l’histoire de la physique des particules.
Cette particule légendaire a été découverte grâce au Grand collisionneur de hadrons du CERN (Large Hadron Collider ou LHC), un accélérateur de particules souterrain d’une longueur de 27 kilomètres. Dans le tunnel du LHC, les protons sont fortement accélérés et projetés les uns contre les autres afin que l’on puisse mesurer les produits de désintégration de ces collisions explosives. Le LHC est encore utilisé pour élucider des questions de physique fondamentale sur notre Univers. Et il doit rester en phase avec son temps: «Une mise à niveau de ces gigantesques détecteurs est régulièrement nécessaire à intervalles de quelques années», explique Lea Caminada, cheffe du groupe Physique des hautes énergies au Centre de recherche avec neutrons et muons du PSI. Entre autres parce qu’au fil des ans les particules à haute énergie enregistrées par les détecteurs finissent inévitablement par endommager leur électronique.»
Pour mesurer précisément les minuscules particules, il faut des colosses: quatre gigantesques détecteurs sont en service au LHC. L’un d’eux porte le nom de Compact Muon Solenoid (CMS). Ce détecteur, constitué de couches superposées, mesure au total 15 mètres de diamètre. Lea Caminada se consacre, depuis ses débuts, à la construction du CMS ainsi qu’aux résultats expérimentaux qu’il fournit.
Le cœur du CMS, que l’on appelle le «détecteur cylindrique à pixels», a la forme d’un gâteau roulé légèrement surdimensionné: il mesure environ 50 centimètres de long et se compose de trois couches d’électronique brillante et dorée, mais aussi de beaucoup de câbles. Il a été autrefois développé et construit au PSI. Lea Caminada était déjà de la partie, à l’époque, en tant que doctorante. En 2017, ce premier détecteur cylindrique à pixels a été remplacé par son successeur à quatre couches, que le groupe de Lea Caminada avait également conçu et en partie construit. Le détecteur cylindrique d’origine, qui a été coupé en deux dans le sens de la longueur, trône désormais comme pièce d’exposition dans le laboratoire de Lea Caminada, au Switzerland Innovation Park Innovaare, qui vient d’être construit à proximité immédiate du PSI.
Le CMS restera en service, dans sa configuration actuelle, jusqu’à la mi-2026. Une mise à niveau plus importante est alors prévue sur l’ensemble du LHC: le nombre de collisions de particules sera encore accru et, à cette occasion, de nombreux éléments des détecteurs seront remplacés par de nouveaux composants, technologiquement plus performants.
Des bouchons contre les angles morts
En 2030, le LHC devrait redémarrer sous l’appellation de Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (High-Luminosity LHC en anglais). De nombreux groupes de recherche dans le monde travaillent actuellement sur les différents nouveaux composants du CMS, qui seront intégrés pendant la phase de transformation comprise entre 2027 et 2030. Cette fois-ci, le groupe de Lea Caminada n’est pas responsable du détecteur cylindrique à pixels mais des composants en forme de disque qui seront apposés verticalement à l’avant et à l’arrière du détecteur cylindrique. «Ces disques forment ce que nous appelons le “détecteur de bouchons du trajectographe”, explique Lea Caminada. Ce sera une toute nouvelle partie du détecteur CMS. Il nous permettra de suivre les traces de particules qui se situent dans les angles morts du détecteur actuel.» Diverses désintégrations de particules, résultant des collisions proton-proton dans le LHC, sont en effet attendues dans différents angles spatiaux. Or, lorsqu’on cherche une nouvelle physique, il faut pouvoir regarder là où personne ne l’a fait auparavant.
Les 16 disques du détecteur de bouchons du trajectographe ont un diamètre de 50 centimètres et chacune de leurs faces sera équipée de modules détecteurs en silicium.
«Pour pouvoir couvrir en détail toutes ces surfaces, nous aurons besoin d’environ 2000 modules détecteurs identiques», poursuit Lea Caminada. Ceux-ci, de forme rectangulaire, sont plus petits que la paume de la main. Ce sont des composants électroniques très complexes, qui doivent être usinés avec une extrême précision pour travailler avec une très grande fiabilité. «Après la mise à niveau, l’ensemble du détecteur restera en service durant plusieurs années et nous n’aurons pas la possibilité de procéder à des aménagements ou à de petites réparations», précise la physicienne. Un peu comme avec une sonde que l’on envoie dans l’espace: pendant la phase d’exploitation, on perd tout accès physique aux composants. Et la moindre probabilité d’erreur que l’on accepterait pour un composant individuel se trouve multipliée par deux mille – en fonction du grand nombre de modules – pour l’ensemble du détecteur.
Deux ans pour produire les modules
Amrutha Samalan insère avec précaution, l’un après l’autre, les modules dans les logements parfaitement adaptés d’une boîte blanche câblée. «Au cours des dernières années, nous avons étudié et testé différents prototypes de modules afin de signaler constamment à leurs concepteurs les problèmes restants, certes improbables, mais pertinents en raison du nombre élevé d’unités», explique cette postdoctorante qui travaille depuis bientôt deux ans dans le groupe de Lea Caminada. Entre-temps, la phase de conception s’est terminée et la préproduction est en cours. Par préproduction, on entend ceci: sur un petit nombre de modules, les scientifiques testent si chaque étape de fabrication fonctionne et si le résultat correspond précisément aux attentes. Durant cette phase, ils évaluent également le temps nécessaire aux étapes de production afin de pouvoir tout mettre à l’échelle ultérieurement. Sur les quelque 2000 modules nécessaires, près de la moitié sera assemblée au PSI, pendant la phase de production proprement dite. Les modules restants seront produits par les autres membres d’un consortium paneuropéen, conformément au concept développé au PSI. Tous ensemble, ils auront deux ans pour fabriquer les 2000 modules.
«Ce matin, j’ai fait le câblage par fils de certains modules sur cette machine», explique Amrutha Samalan en désignant une sorte de caisson de la taille d’un homme qui se dresse au milieu du laboratoire. «Elle enregistre nos connexions électroniques programmées sur le module, un peu de la même manière qu’une machine à coudre travaille avec des fils.»
Vient ensuite l’examen visuel minutieux de chaque module en gros plan à l’écran afin de détecter d’éventuels défauts.
Puis un groupe de huit modules est placé dans ce qu’on appelle une «cold box» (boîte froide), la caisse blanche qu’Amrutha Samalan est en train d’équiper. «Nous procédons là à une part importante du contrôle qualité, explique la chercheuse. Nous pouvons contrôler précisément la température et l’humidité à l’intérieur de la caisse et tester pendant ce temps si les capteurs, les puces de lecture et les pixels sont tous exempts de défauts.» Dans cette boîte froide, les scientifiques réalisent également le calibrage de tous les détecteurs à pixels et de leurs canaux. Chacun des modules compte plus d’un demi-million de pixels. Avec une résolution spatiale de seulement 10 × 15 micromètres, ils pourront précisément suivre les trajectoires des particules dans le détecteur CMS.
Nous avons déjà contribué au développement de plusieurs générations de ce détecteur et connaissons toutes les étapes: de la conception des puces à l’évaluation des données, en passant par l’installation.
Planifier la génération suivante
Un étage plus haut, dans le même bâtiment, Wolfram Erdmann vient d’avoir une discussion avec quelques-uns de ses collègues. Il est collaborateur dans le groupe de Lea Caminada et dirige le projet de conception, de planification et de construction du détecteur de bouchons du trajectographe. «Après la mise à niveau, en termes de surface, ce sera la plus grande partie du détecteur à pixels CMS», dit-il non sans fierté.
Wolfram Erdmann est en contact avec les autres groupes de recherche du consortium, rattachés aux universités de Zurich, de Hambourg en Allemagne, de Helsinki en Finlande, de Santander en Espagne, de Vilnius en Lituanie et de Zagreb en Croatie. «Ici, au PSI, nous développons beaucoup de composants et de nombreux processus qui seront ensuite dupliqués sur d’autres sites», explique Wolfram Erdmann. A l’instar des boîtes froides, par exemple.
Le PSI est membre de l’expérience CMS depuis 1998. «C’est un engagement important, qui nécessite des connaissances spécialisées exceptionnelles», relève Lea Caminada. Pour son domaine, la physique des particules, le LHC est essentiel: il s’agit du plus grand et du plus puissant accélérateur du monde, dont la proximité géographique est bienvenue. «Pour nous, le fait que la Suisse soit le pays hôte du CERN est vraiment pratique», note Wolfram Erdmann.
Le groupe de recherche emmené par Lea Caminada participe également à l’évaluation des données fournies par le détecteur CMS. «Nous avons déjà contribué au développement de plusieurs générations de ce détecteur et nous connaissons toutes les étapes de la chaîne: de la conception des puces électroniques à l’évaluation des données, en passant par l’installation, souligne Wolfram Erdmann. C’est tout à fait exceptionnel parmi les institutions impliquées.»
Les données du détecteur de bouchons du trajectographe, dont la production a commencé, devraient être analysées au début des années 2030. En physique des particules, la planification s’étire sur de longues périodes. De ce fait, certains chercheurs réfléchissent déjà à la prochaine mise à niveau. «J’en parlais justement avec mes collègues tout à l’heure», sourit Wolfram Erdmann. Les scientifiques prévoient d’investir principalement dans la résolution temporelle du détecteur.
Pour ce physicien, il n’est pas inhabituel de recevoir dès maintenant des ressources pour mener à bien ces réflexions. Ses nombreuses années d’expérience lui ont notamment enseigné ceci: «Réfléchir est relativement facile. C’est lorsqu’il s’agit de construire que les choses deviennent complexes.»
