L'Université du Kansas obtient un financement du Département de l'Énergie pour construire de nouveaux détecteurs pour le Grand collisionneur de hadrons du CERN

Un projet de développement de détecteurs de particules dirigé par l'Université du Kansas a récemment obtenu un financement du programme établi du Département de l'Énergie des États-Unis pour la promotion de la recherche compétitive (DOE EPSCoR). Le montant de ce financement est de 1 million de dollars et servira à concevoir et construire deux calorimètres à zéro degré haute luminosité (HL-ZDC) pour l'expérience du solénoïde compact à muons (CMS) située sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN).

Ce projet, d'une durée de quatre ans, est codirigé par Michael Murray, professeur au Département de physique et d'astronomie de l'Université du Kansas, et Christophe Royon, professeur émérite de l'Université du Kansas. Murray est également responsable du projet de mise à niveau du calorimètre à zéro degré haute luminosité du CMS. Georgios Krintiras, chercheur postdoctoral à l'Université du Kansas, participera au développement du logiciel de reconstruction des données des détecteurs.

Selon le plan, les deux détecteurs HL-ZDC seront fabriqués et assemblés dans le laboratoire de prototypage mécanique de l'Université du Kansas, puis transportés au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi (Fermilab) pour y être testés à l'aide de faisceaux de particules à haute énergie. Une fois les tests terminés, les détecteurs seront transportés au CERN et intégrés au système de calorimétrie du CMS pour les recherches en physique des ions lourds pendant la phase haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons. La première collecte de données sur les ions lourds de cette phase est actuellement prévue pour le milieu des années 2030.

Interaction entre le détecteur HL-ZDC et le faisceau de particules. Image fournie par Georgios Krintiras

Les calorimètres à zéro degré sont installés de part et d'autre de la ligne de faisceau de particules du CMS et servent principalement à détecter les neutrons et photons à haute énergie s'échappant le long de la direction du faisceau. Grâce à ces mesures, les physiciens peuvent reconstruire le type de collision. Par exemple, lors de collisions de noyaux de plomb, le nombre et la distribution spatiale des neutrons émis vers l'avant permettent de déterminer si les noyaux atomiques ont subi une collision quasi frontale ou une interaction de type périphérique. Ces informations sont d'une grande importance pour l'étude du plasma de quarks et de gluons, un état de la matière à température extrêmement élevée qui aurait existé pendant les premières fractions de millionième de seconde après la naissance de l'Univers. Ces données aident également à identifier les collisions ultra-périphériques, c'est-à-dire les processus où les noyaux atomiques interagissent par l'intermédiaire de champs électromagnétiques intenses.

Le laboratoire de physique des particules de l'Université du Kansas avait auparavant construit les calorimètres à zéro degré conventionnels utilisés pour l'expérience CMS et avait soutenu la recherche sur les ions lourds au cours des trois premières périodes d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons. Avec l'arrivée de la phase haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons, l'environnement expérimental sera plus exigeant : niveaux de rayonnement plus élevés, intervalles entre collisions plus courts et espace disponible pour les détecteurs plus réduit. Par conséquent, la nouvelle génération de HL-ZDC devra présenter une structure plus compacte, un temps de réponse plus rapide et une meilleure résistance aux radiations.

L'équipe du projet indique que ce financement offrira également aux étudiants de l'Université du Kansas une formation à la recherche couvrant l'ensemble du processus, de la fabrication des détecteurs aux tests sur faisceau, en passant par l'analyse par simulation et le développement de logiciels. Les étudiants et les chercheurs collaboreront avec les experts du Fermilab et recevront une formation par l'intermédiaire du Centre de physique du Grand collisionneur de hadrons du Fermilab, afin de se préparer à la collecte et à l'analyse des données après le début de l'exploitation en mode haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons. Ce projet renforcera également la coopération entre l'Université du Kansas et le Fermilab dans les technologies de détecteurs pour la physique nucléaire et la physique des particules.