International Linear Collider
Group   LPC
  Frédérique Badaud   
  Mustapha Benyamna   
  Guillaume Blanchard  
  Roméo Bonnefoy  
  Djamel Boumediene  
  Nicole Brun  
  Cristina Cârloganu  
  Frédéric Chandez  
  Michel Crouau  
  Remi Cornat  
  François Daudon  
  Pascal Gay  
  Philippe Gris  
  Samuel Mannen  
  François Morisseau  
  Laurent Royer  

Résumé Activités 2006-2007

Pour répondre à la question centrale de l’origine de la masse, nous devons, après la machine LEP, nous tourner vers les collisionneurs hadroniques, le Tevatron à FNAL dans sa phase II et ensuite le LHC au CERN à partir de 2009. Cependant, l’étude complète des caractéristiques  des particules qui pourraient être observées au LHC, tant pour le secteur de Higgs léger, des partenaires super symétriques, que de nouvelles résonances, ne pourra être réalisée que grâce à des collisionneurs leptoniques pour lesquels la maîtrise de l’état initial autorise les mesures de précision nécessaires.
Le groupe ILC du laboratoire travaille sur cette thématique du collisionneur linéaire à électrons opérant à des énergies dans le centre de masse de plus d’un TeV, avec un intérêt particulier au projet de calorimètre électromagnétique doté d’une très fine granularité. Ainsi, le groupe est membre de la collaboration internationale CALICE qui regroupe les efforts envers la calorimétrie. Le calorimètre électromagnétique est un ensemble très compact de couches alternées de tungstène et de silicium. Les dépôts d’énergie  sont enregistrés grâce à des capteur élémentaires faits  d’une diode silicium d’une  surface d’un cm2. L’ensemble compte  approximativement  30 millions de ces capteurs. 


Very Front End 

Le premier niveau d’électronique est un défi technologique puisqu’il s’agit de faire face à la fois à une multiplicité proche de celle des trajectographes et à une gamme dynamique bien plus large que celle des calorimètres habituels. Il faut aussi réaliser le compromis entre intégration et consommation. Le groupe poursuit donc des travaux de R&D   en électronique analogique avec la conception de puce destinées au premier étage d’électronique du calorimètre SiW de la collaboration CALICE avec le LAL-Orsay. Une partie importante consiste en l’élaboration d’ADC. Les  architectures pipeline ont été examinées puis une architecture cyclique, dont le but est de réduire la surface de la puce et donc le coût, est en cours.  De façon connexe, un effort particulier a été mené dans l’élaboration des protocoles de mesure qui nécessitent le design de plusieurs cartes  d’électronique de haut niveau  pour tester l’intégralité  des paramètres des circuits en retour de fonderie. Une consommation intégrée inférieure à 350 μW a été mesurée sur l’ADC pipeline fondu en 2007 en technologie CMOS-0.35μ. L’écart à la linéarité mesuré reste inférieur à 0,6 LSB comme reportée sur la figure 1. 

figure de l'écart à la linéarité pour AD C 10 bits












Fig.1 Ecart à la linéarité différentielle  de l’ADC 10 bits.

Prototypes du calorimètre

Nous avons participé à la prise de données collectées avec les prototypes des calorimètres de la collaboration CALICE placés en faisceau au CERN en 2006 et 2007 dont une photographie est en figure 2.

photographie du test beam au CERN en 2007
Fig.2 Prototypes des calorimètres électromagnétique (ECAL) et hadronique (AHCAL) suivi du détecteur de fin de gerbe (Tailcatcher) de la collaboration CALICE lors des tests sous faisceaux au CERN.

Cette période auprès d’un  appareillage complet doté de plus de dix-mille voies de lecture a été un formidable terrain d’apprentissage de la physique instrumentale pour les jeunes physiciens du groupe. L’exploitation des données faisceau-test a été faite en traitant plusieurs volets. L’un d’entre eux concerne des aspects capteurs, liés à l’observation de   diaphonie entre les anneaux de garde qui ceinturent les groupements de diode silicium, illustré par la figure 3.

diaphonie des anneaux de garde (event display 3D du calorimètre SiW  de CALICE)
Fig.3 Visualisation du dépôt d’énergie d’un électron dans les couches du ECAL et diaphonie en périphérie (cadre jaune).

Une simulation par éléments finis du comportement des anneaux de garde et  des diodes silicium a été mise en oeuvre pour valider les hypothèses de sources de diaphonie. Ceci a été l’occasion de tester différentes configurations d’anneaux de garde qui sont désormais en cours de fabrication chez nos partenaires industriels fournisseurs des capteurs au silicium. À coté de ces études logicielles, un banc test a été conçu en collaboration avec le LLR (Ecole polytechnique) et mis en oeuvre afin de traiter les problèmes d’injection de charge en vraie grandeur. Les effets de la diaphonie ont été étudiés avec les données collectées en faisceau-test de façon à valider les modélisations effectuées.  Pour poursuivre la chaîne de collecte de l’information, un système de lecture des signaux délivrés par l’ensemble de l’électronique de premier niveau est en cours de développement au travers de l’élaboration de cartes d’acquisition mettant en oeuvre de nouveaux FPGA.


Un effort tout particulier a été fait à propos de la  caractérisation du calorimètre électromagnétique. L’architecture logicielle mise en place est conforme à celle d’une expérience complète et permet de se placer dans un environnement similaire à une expérience  en vraie grandeur. Ainsi, nous avons participé à toutes les étapes de la compréhension du prototype et de sa caractérisation: protocole de qualité de données, reconstruction, suppression de bruit électronique, correction des zones inactives, détermination  des   caractéristiques des dépôts d’énergie, validation des simulations, compréhension d’effets fins comme la dispersion des épaisseurs de radiateur, etc. Le dépôt d’énergie lors de la mise en faisceau réalise  la  radiographie de la figure 4 où les zones inactives entre les diodes sont très visibles. La figure 5 indique l’impact de la restauration de l’énergie perdue en mettant en oeuvre un algorithme avec lequel l’uniformité de la réponse est améliorée.  

radiographie du calorimètre SiW de CALICE correction des zones inactives par algorithme
Fig.4 Radiographie du calorimètre  électromagnétique: zone active (rouge) et   inactive (jaune). Fig.5 Restauration de l’énergie dans les zones inactives

Event Reconstruction et particle-flow

La majorité des processus aux énergies envisagées pour le collisionneur linéaire à électrons conduit à des états finals multi-jets.    Ces topologies complexes introduisent des recouvrements importants entre les particules. Ainsi la conception de l’appareillage doit être conduite de façon à réduire les ambiguïtés. Des algorithmes de  nouvelle génération (particle-flow) sont en développement pour pallier à cette difficulté.
En relation avec le travail auprès des données faisceau-test, nous nous sommes consacrés à la reconstruction des photons de basse énergie comme première étape à la reconstruction des pions neutres qui constituent l’essentiel de la composante électromagnétique des jets. De nouveaux algorithmes de reconstruction  des amas d’énergie ont été développés. L’amélioration, apportée par l’un d’entre eux (Pi0sniffer), à la résolution en énergie des pions neutres dans le cadre d’une simulation complète du détecteur est visible sur la figure 6.

Impact du processeur Pi0sniffer lors de la reconstruction des pions neutres
Fig.6 Impact de l’algorithme de reconstruction sur la résolution en énergie des pions neutres dans des événements ee→HZ.

A propos des thèmes de physique, le groupe a poursuivi  son investissement sur la reconstruction du potentiel de Higgs via la mesure de l’auto-couplage du Higgs. L’impact des performances du détecteur à cette mesure a été modélisée pour différentes versions d’appareillage et donc de particle-flow. La figure 7 illustre l’influence des calorimètres dans la reconstruction des énergies de jets et l’importance du détecteur de vertex déplacés pour l’identification des saveurs de quarks. 

Résolutuion sur le couplage trilinéaire du bosn de Higgs
Fig.7 Précision sur le couplage trilinéaire du boson de Higgs selon l’efficacité d’identification du quark b selon différentes valeurs de la résolution du particle-flow.

Conclusion

Les activités du groupe couvrent un spectre large: depuis les capteurs et l'électronique de premier niveau jusqu'aux algorithmes de reconstruction, en passant par l'analyse des prototypes en faisceau test. Cet investissement sera un atout précieux lors de la formation, en 2008, des proto-collaborations en charge des détecteurs prévus au ILC.

Contact person : Pascal Gay    Pascal.Gay@in2p3.fr   phone: +33 4 73 40 72 83


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