Calorimétrie électromagnétique pour le détecteur CMS du LHC

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1 18 Quarks et leptons Calorimétrie électromagnétique pour le détecteur CMS du LHC Electromagnetic calorimetry for the CMS detector at LHC T. A LLIAUME, D. B ON, S. C HIODELLI, P.C LUZEL, D. D ELAUNAY, P. D EPASSE, J. D ONINI, D. D UCIMETIÈRE, H. E L M AMOUNI, J.P. E RNENWEIN, D. E SSERTAIZE, J. FAY, S. G ASCON, G. G ELIN, R. G ENRE, M. G OYOT, B. I LLE, M. L ETHUILLIER, J.C. M ABO, N. M ADJAR, F. M ARTIN, H. M ATHEZ, G. M AURELLI, F. M OUNIER, P. PANGAUD, M. R EYNAUD, S. R IVOIRE, P. S AHUC, S. T ISSOT, G. V ERDIER, J.P. WALDER, F. Z ACH Soutien IPNL : service Electronique Soutien IPNL : service Mécanique Soutien IPNL : service Soutien aux Expériences Collaboration CMS Our group is involved in the construction of the CMS electromagnetic calorimeter for the LHC. This calorimeter is composed of P bw O4 scintillating crystals. The light produced by the crystal is converted to on electric signal by means of avalanche photodiodes. The signal is then amplified, compressed, digitized and transfered to the upper-level read-out system by optical fibers. Our present activity consists in evaluating the performance of the system, investigating and developing part of the front-end readout electronics and participating in the construction and exploitation of the detector. La recherche du (ou des ) boson(s) de Higgs associé(s) au mécanisme de brisure de symétrie électrofaible est un des principaux objectifs du futur collisionneur hadronique LHC. Dans une gamme de masse allant de 90 à 150 GeV/c 2 environ, la voie la plus prometteuse de découverte du Higgs standard ou supersymétrique le plus léger au LHC est sa décroissance en deux photons qu il s agit de bien identifier et de détecter avec une très grande résolution en énergie. Dans cette optique, la collaboration CMS (Compact Muon Solenoid), chargée de construire l un des deux détecteurs génériques du LHC, veut disposer d un calorimètre électromagnétique à cristaux scintillants (61200 cristaux pour le baril et pour les bouchons). Le choix de CMS s est porté sur le tungstate de plomb P bw O 4. Les photosenseurs ont eux été choisis au début de la période de tests en faisceaux au CERN en Ce sont les photodiodes à avalanche de la société Hamamatsu Photonics qui équiperont les capsules de lecture du calorimètre électromagnétique (ECAL). Notre contribution essentielle au calorimètre est l élaboration d un système de lecture des cristaux du baril répondant aux exigences de la physique au LHC : rapidité, grande gamme dynamique, faible bruit, faible consommation et résistance aux radiations. Cela représente évidemment tout un éventail d activités que nous évoquons dans ce rapport, allant de l étude de la scintillation du P bw O 4 à celle de la numérisation d un signal rapide de grande gamme dynamique et de haute résolution. Tout ce travail a contribué à l Engineering Design Review du ECAL [1]. 1 - Développement de prototypes Une grande partie de notre travail a consisté à étudier et développer plusieurs prototypes de calorimètre afin de montrer la faisabilité de notre projet. Durant la période , deux types de prototypes construits avec des cristaux de dimensions finales (23 cm de long) ont été montés : le premier est une matrice de 3 3 cristaux, préparée dans des conditions optimales, permettant d étudier les photosenseurs, en vue du choix de ceux-ci. F IG. 1: Vue du prototype 1999.

2 Calorimétrie électromagnétique pour le détecteur CMS du LHC 19 le second a mis en oeuvre des matrices 5 6 permettant d évaluer les solutions mécaniques et électroniques développées pour le détecteur final (figure 1). Les cristaux sont fabriqués en Russie (Bogorodisk) et en Chine (SIC, Shanghaï). En ce qui concerne les photodétecteurs, la collaboration évalue des photodiodes à avalanche (APD) de grande surface (25 mm 2 ) fournies par deux constructeurs : HAMAMATSU PHOTONICS et EG&G. Le choix du fabricant a été effectué en juillet 1998 après dépouillement des données prises en avril Hamamatsu a été choisi pour sa fiabilité, ses meilleures performances [2]. Nous présentons ci-dessous quelques faits et résultats marquants concernant les prises de données [3]. Bruits électroniques et corrélation Au cours des prises de données 98 et 99, il a été prouvé que les bruits des cartes électroniques utilisées étaient conformes aux recommandations du TDR. En 1998 ([4]), une étude a été menée pour choisir la configuration de la capsule de lecture : 1 APD ou 2 APDs en parallèle, câble blindé ou kapton comme liaison électronique. Les capacités de ces APDs étaient alors élevées : 140 à 160 pf. Les bruits obtenus pour les APDs en parallèle étaient en moyenne de 70 MeV, et pour les simples APDs, environ 200 MeV. Les résultats des APDs en parallèle étaient meilleurs que ceux pour une seule APD. On a aussi pu mettre en évidence la contribution de ces 2 APDs grâce à un faisceau de muons (permettant d avoir un dépôt direct dans le silicium de l APD (figure 2). De plus, le bruit corrélé se situait à 20 MeV par canal et moins de corrélation. Pour 1999, il a donc été décidé d étudier 2 types de kaptons avec des APDs en parallèle. En 1999, on disposait d une matrice de 5 6 cristaux avec toute la connectique dans sa version finale. Le bruit moyen évalué est de 36,3 MeV ou e. La corrélation est de 8 MeV ou 2200 e. Cela nous a permis aussi de faire un choix dans les fournisseurs de liaisons électroniques souples et de lancer la production. Ces études ont fait l objet d un rapport de stage de maîtrise. Taux de lumière Pendant la prise de données 1999, nous avons pu faire une comparaison directe des taux de lumière mesurés par ACCOS (machine automatique de caractérisation des cristaux de PbWO 4 ) et des valeurs estimées sur faisceau. La figure 3 permet la comparaison des deux distributions et l on observe une même valeur moyenne. FIG. 3:Distributions des taux de lumière entre ACCOS et faisceaux-tests. Résolution en énergie FIG. 2:Particule au minimum ionisant dans une capsule contenant 2 APDs. a permis de montrer que les capsules avec kaptons avaient Les résultats obtenus en faisceau H4 du CERN sur la matrice 6 5 durant la période 1999 ([5]), ont pleinement confirmé la faisabilité d un calorimètre à PbWO 4 lu par des APDs. La figure 4, représentant la résolution obtenue pour la gamme d énergie allant de 15 à 280 GeV à partir d un sousensemble de 3 3 cristaux lus par des APDs Hamamatsu, en est une bonne illustration. Une valeur meilleure que 0,5% est obtenue, sans effet de détection directe apparent. La résolution en énergie extraite

3 20 Quarks et leptons FIG.4:Paramétrisation de la résolution en énergie pour une sous-matrice de 9 cristaux. de plusieurs sous-ensembles de 3 3 cristaux est paramétrisable par une expression du type : ff E = 2;75 p % E Φ 0; 38 %, avec un bruit soustrait de 150 MeV (ß 50 MeV par canal), soit 0; 46 % à 120 GeV. Le terme stochastique est dû en grande partie au facteur de bruit en excès des APDs. On a ainsi pu vérifier la reproductibilité entre différentes matrices de cristaux. Un système de monitorage des cristaux, fondé sur des générateurs de lumière de diverses longueurs d onde associés à des fibres optiques, a été installé et a permis de suivre l effet des radiations sur les cristaux. La présentation et la discussion de la plupart de ces résultats ont été présentées dans la thèse de F. Martin en juillet 1998 [6], et ont fait aussi l objet d un rapport de stage de DEA. Scans en position En août 1999, des scans en x et en y ont été effectués pendant la prise de données avec des électrons de 120 GeV. La figure 5 montre la concordance entre données et simulation pour le scan en y (cf. section Développements logiciels). C est la première fois grâce à cette simulation réaliste du prototype que l accord données-simulation est prouvé. 2 - Construction du détecteur Avec les services techniques du laboratoire, nous nous préparons à la production et aux tests de caractérisation des éléments qui relèveront de notre responsabilité. Electronique frontale Le laboratoire a la responsabilité de la conception et de la production d une partie de l électronique frontale (les cir- FIG. 5:Comparaison données-simulation pour un scan en y. cuits (préamplificateur et multi-pentes) DMILL et Harris du FPPA, ainsi que la mécanique et la connectique associées). Plus d informations sont données dans les sections concernant le groupe ECAL dans ce rapport d activité par le bureau d études et le service électronique (ASIC). Depuis 1998, cet ensemble continue à évoluer, compte tenu des contraintes thermiques, de compatibilité électromagnétique et bien sûr financières. Nos collaborateurs sur ce projet sont le CERN, Princeton, ETH Zurich, LPNHE-X, Saclay et le LAPP ([7], [8]). Bancs automatiques Le laboratoire ayant en charge la production des chaînes de lecture des cristaux du baril, nous avons entamé la construction du banc automatique (figure 6) destiné à tester et caractériser les capsules (figure 7) avant leur intégration dans le détecteur final (étude en partie effectuée à l occasion d un stage IUT). Les capsules sont assemblées par nos soins, étiquetées, testées en continu et en impulsionnel et les résultats de la caractérisation sont transférés dans la base de données de construction de CMS. Le banc est étudié et réalisé au laboratoire. Un premier lot de 400 capsules a déjà été validé. La figure 8 présente une statistique obtenue sur 200 d entre elles. Un banc optoélectronique destiné à caractériser la chaîne depuis la capsule jusqu à la récupération de l information issue de la fibre optique est en cours de développement.

4 Calorimétrie électromagnétique pour le détecteur CMS du LHC 21 F IG. 6: Banc capsules en phase d assemblage F IG. 8: Distribution des sensibilités du gain par rapport à la tension d un lot de 200 capsules. nous suivons tous les développements de l électronique, de l acquisition de CMS pour être en accord avec eux. 3 - Activités photodétecteurs Photodiodes à avalanche La phase de recherche et développement est terminée. Le choix du modèle final de photodiode à avalanche est arrêté. La production commence début Notre rôle, outre la production de capsules, est de participer aux mesures fines de contrôle de la qualité de la production. Etudes de scintillations F IG. 7: Capsule de lecture du ECAL. Calibration Nous participons à un groupe de travail sur la calibration du ECAL durant les 3 années avant le démarrage du LHC [9]. Un cahier des charges a ainsi été établi, avec les paramètres obligatoires à mesurer pour assurer une bonne compréhension du détecteur, la durée de chaque opération pour tenir les délais jusqu au démarrage du LHC, les besoins de l acquisition pour que les prises de données se déroulent de façon optimum. Ce travail est en perpétuelle évolution, car Nous avons poursuivi nos investigations sur l étude des photodiodes à avalanche ainsi que sur les mesures de scintillation des cristaux de tungstate de plomb [10]. Nous avons mesuré la non-uniformité longitudinale de la réponse en lumière d un cristal de tungstate de plomb [11] soumis au flux de rayons cosmiques. Nous avons utilisé pour ce faire un photomultiplicateur hybride. L un des objectifs de ce travail est de mettre au point la même expérimentation avec des photodiodes à avalanche et un refroidissement approprié du cristal. Dans le cadre de Crystal Clear [12], nous poursuivons un programme de recherche et développement dont l aboutissement peut être une participation à la construction de petits tomographes à émission de positons (PET scanners) en collaboration avec Annecy. Le but est de construire un micro-pet à base de cristaux de LuAP et de photodiodes à avalanche, la lecture étant réalisée par une électronique rapide développée au laboratoire, dont une partie de l étude a déjà été faite dans le cadre du LHC.

5 22 Quarks et leptons Toutes ces études ont fait l objet de 4 rapports de stages (un travail d étude et de recherche encadré, un stage INSA, un stage Janus et un stage de licence). 4 - Développements logiciels Simulations Grâce à une collaboration fructueuse avec le bureau d études et le centre de calcul, un transfert complet du module 0 défini mécaniquement par le bureau d études (Euclide) vers le logiciel de simulation Géant a pu être réalisé. Cette interface entre Géant et Euclide doit encore évoluer pour prendre en compte les nouvelles versions et la globalité du détecteur. Reconstruction Nous sommes impliqués dans le logiciel de reconstruction ORCA pour le calorimètre en collaboration avec le CERN, le LPNHE-Polytechnique et nos collègues de l Institut qui s occupent plus particulièrement de la reconstruction des traces. Base de données Nous avons été le premier site pilote situé en dehors du CERN pour la gestion de la construction du calorimètre dans la base de données CRISTAL [13]. Nous avons participé à son déverminage et validé son évolution. 5 - Conclusion Le détecteur CMS est arrivé au début de sa période de construction qui s étalera sur plusieurs années. Bien que de nombreux développements auraient encore été nécessaires, nous devons encore arrêter des choix technologiques. Le laboratoire commence à assumer une responsabilité importante dans la construction du calorimètre électromagnétique ainsi que dans sa future exploitation pour la physique. Cet effort se poursuivra et s intensifiera dans les prochaines années, ainsi que tout ce qui concerne les développements logiciels de calibration et de reconstruction. Bibliographie [3] E. Auffray et al., Beam Tests of lead tungstate crystal matrices and a silicon strip preshower detector for the CMS electromagnetic calorimeter, NIM A 412 (1998) 223-2/3. [4] J.P. Ernenwein, Overview of the CMS electromagnetic calorimeter, talk given at VI International Conference on Advanced Technology and Particle Physics, Côme, Italie, Octobre 1998, CMS-CR 1999/006, LY- CEN 98106, Nucl. Phys. B 78 (1999) 186. [5] B.Ille, CMS electromagnetic calorimeter overview, talk given at VIIth International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics, Hamamatsu, Japan, November 1999 (soumis à NIM). [6] Thèse de F. Martin, Contribution à l étude de la lecture des cristaux du calorimètre électromagnétique de l expérience CMS au LHC, soutenue le 3 juillet 1998, numéro d ordre , LYCEN - T [7] J.P. Walder, Analog signal processing for the CMS electromagnetic calorimeter, talk given at IVth workshop on electronics for LHC experiments. Rome, Italie, September 1998, CERN/LHCC/9836. [8] H. El Mamouni, P. Pangaud, J-P. Walder, High speed, wide dynamic range analog signal processing for avalanche photodiode, contribution à IId conference on new developments in photodetection, Beaune, France, September 1999 (soumis à NIM). [9] J. Bourotte et al., The ECAL precalibration in H4 : User requirements document, CMS-Note [10] M. Schneegans et al., A study of new fast and radiation-hard scintillators for calorimetry at LHC, Experiments at CERN in 1998 (grey book) B-W. Powell CERN Geneva, [11] P. Depasse et al., Non-uniformity measurements of PbWO4 crystals, CMS-Note , LYCEN-RI [12] The Crystal Clear project, Development of detectors, based on inorganic scintillators, for basic research and applications, 1st september [13] J.-M. Le Goff et al., Getting physics data from the CMS-ECAL construction database, CMS-Note [1] CMS Collaboration, ECAL Barrel Engineering Design Review, 5 July 1999, CMS Document [2] F. Martin, The CMS electromagnetic calorimeter readout, talk given at VIth International Conference on Advanced Technology and Particle Physics, Côme, Italie, Octobre 1998, CMS-CR 1999/003, LYCEN 98104, Nucl. Phys. B 78 (1999) 192.