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ATLAS ITk - Construction d’un trajectographe de nouvelle génération
La haute luminosité du LHC : un défis pour les détecteurs
À partir de 2029, le HL-LHC fournira à ATLAS et CMS une luminosité 5 à 7,5 fois supérieure à celle de l’actuel LHC, pour un ensemble de données de 3 à 4 000 fb -1, dix fois plus qu’avant la phase HL-LHC. Cette amélioration offrira des conditions uniques pour approfondir l’étude du boson de Higgs et élargir la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Cette forte hausse de luminosité entraînera environ 200 collisions par croisement, soit cinq fois le niveau actuel, ainsi qu’un flux de radiation pouvant atteindre 1–2 × 10 16 neq /cm2, vingt fois supérieur à celui supporté par le trajectographe présent. Les détecteurs devront donc fonctionner dans un environnement beaucoup plus exigeant, rendant l’actuel trajectographe d’ATLAS obsolète et nécessitant une conception entièrement nouvelle. Le groupe ATLAS du LPNHE travaille depuis longtemps au développement des capteurs du nouvel ITk et a débuté en 2024 l’assemblage des modules. En parallèle, en collaboration avec l’ITk et des différents programmes internationaux, parfois reorganisés dans les groupes de R&T de l’ECFA (RD50, RD53, DRD3/7/8, AIDAInnova), il poursuit le développement de technologies avancées pour les futurs détecteurs au silicium : capteurs LGAD à pixels, solutions de refroidissement par micro-canaux en silicium ou fibres de carbone, ainsi que nouvelles techniques d’interconnexion entre capteurs et électronique frontale.
Des capteurs minces et performants pour le niveau de radiation typique de l’ITk
Depuis plus de dix ans, le groupe ATLAS du LPNHE développe une expertise reconnue dans les capteurs à pixels en silicium. Avec l’IJCLab et le MPP de Munich, il a proposé la technologie n-in-p, plus simple et économique que le n-in-n utilisé dans l’actuel trajectographe d’ATLAS. Après plusieurs validations menées au laboratoire, cette technologie a été choisie pour ITk, ouvrant la voie à la production de capteurs n-in-p. Le groupe a également joué un rôle clé dans la mise au point de capteurs minces, mieux adaptés aux fortes fluences du HL-LHC grâce à une réduction du piégeage de charge. Des géométries optimisées pour ces capteurs minces ont été développées au LPNHE,
notamment pour améliorer l’efficacité en bordure. En collaboration avec la fonderie FBK (Trento), plusieurs générations de capteurs ont été produites avec des épaisseurs de 150, 100 et 50 μm. Testés au laboratoire et sur faisceau, avant et après irradiation, ils atteignent plus de 97 % d’efficacité après la fluence attendue au HL-LHC, répondant pleinement aux exigences d’ATLAS. FBK est désormais qualifiée pour la production des capteurs de 100 μm, utilisés dans la première couche planaire (Layer-1). Le groupe du LPNHE a aussi contribué à la qualification d’autres fonderies pour les capteurs de 150 μm à travers des tests en faisceaux et des campagnes d’irradiation. Le LPNHE joue un rôle majeur dans la construction française des modules du trajectographe ITk, au sein d’un regroupement avec l’IJCLab et le CEA/IRFU créé en 2019. Ce consortium est en train de produire 33% des modules du tonneau externe, soit environ 2 100 unités, accompagnées d’un contrôle qualité complet. Le laboratoire a renforcé ses infrastructures : installation d’une nouvelle machine à bonder, équipements de métrologie, microscope haute résolution et système à rayons X pour tester les interconnexions. Les équipes techniques ont rapidement acquis l’expérience nécessaire pour exploiter cette instrumentation. Une seconde station de tests sous pointes,financée par l’IN2P3 et Sorbonne Université est utilisé dans le cadre de la plateforme CLAP pour le contrôle qualité des capteurs et des modules nus issus des fonderies. La validation des modules demande un large programme de tests électriques, thermiques et mécaniques.
Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2024-2025 du LPNHE.
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