HL-LHC : CNRS Nucléaire & Particules livre l’armature du futur trajectographe de CMS au CERN

C’est terminé : le dernier faisceau du Large Hadron Collider (LHC) a circulé en juin 2026, marquant la fin de plus de seize années d'exploitation de l'accélérateur dans sa configuration actuelle. Mais le CERN et ses partenaires internationaux, dont les laboratoires CNRS Nucléaire & Particules, n’ont pas attendu les dernières collisions pour préparer l’avenir du plus grand accélérateur de particules au monde et de ses expériences : d'ici 2030, le LHC redémarrera après une importante mise à niveau avec une phase à haute luminosité (soit un taux de collision de particules plus élevé). A la fin du programme de ce High-Luminosity LHC (HL-LHC), en 2041, la quantité totale de données accumulée devrait être environ dix fois supérieure à celle collectée jusqu'alors, permettant d’étudier des phénomènes très rares et d’ouvrir de nouvelles perspectives scientifiques.

Cette montée en intensité impose une modernisation complète de plusieurs détecteurs, dont celui de l'expérience CMS. C'est dans ce cadre que l'IPHC (CNRS / Université de Strasbourg) vient d'achever la réalisation de la structure TB2S (Tracker Barrel 2S), un élément central du futur trajectographe de CMS, entièrement remplacé pour affronter la haute luminosité. 

Le TB2S constitue l’armature mécanique de la partie la plus externe du trajectographe, le sous-détecteur de l’expérience CMS chargé de reconstruire avec une très grande précision les trajectoires des particules produites lors des collisions proton-proton. Un concentré de technologie qui a notamment contribué à déceler le boson de Higgs parmi les collisions de protons il y a de cela 14 ans, mais qui sera entièrement remplacé pour répondre aux performances attendues du HL-LHC. 

« Le détecteur actuel arrive à la fin de sa durée de vie du point de vue de sa résistance aux radiations, explique Éric Chabert, enseignant-chercheur à l'Université de Strasbourg et délégué scientifique de l'IN2P3 aux jouvences du LHC. En outre, l’augmentation du flux de particules attendu avec le HL-LHC nécessite des détecteurs beaucoup plus granulaires et capables de supporter des niveaux de radiations dix fois plus importantes qu’aujourd’hui. D’où la nécessité de remplacer l’ensemble du trajectographe ». 

Le TB2S intégrera des modules de détection en silicium de type 2S. Constitués de deux senseurs à micro-pistes de silicium séparés de 1,8 mm, ces modules permettront de sélectionner les particules les plus énergétiques en utilisant les informations de corrélation spatiale.

La structure servira également de support aux éléments internes du détecteur. « C'est la première grande structure qui sera intégrée dans le futur trajectographe », précise Massimiliano Marchisone, responsable technique du futur trajectographe de CMS à l'IN2P3 et ingénieur de recherche à l’IP2I (CNRS / Université Claude Bernard Lyon). « Elle servira ensuite de point d'ancrage pour l'insertion des autres sous-détecteurs. »

Le principal défi du projet consistait à concevoir une structure capable de supporter plusieurs centaines de kilogrammes d'équipements de détection tout en préservant une précision mécanique exceptionnelle pour un objet de cette taille, et en réduisant au maximum le poids de l’armature pour limiter la quantité de matière traversée par les particules. « Nous cherchons à réduire au maximum le "budget de matière" du détecteur, souligne encore Éric Chabert. Car plus une particule traverse de matière, plus elle est susceptible d'être déviée ou de perdre de l'énergie, ce qui dégrade la précision des mesures. »

Pour atteindre cet objectif, les équipes ont retenu une architecture entièrement réalisée en matériaux composites à base de fibres de carbone. Longue d'environ 2,3 mètres pour la même longueur de rayon, la structure est constituée d’un assemblage de disques et de cylindres renforcés par une géométrie en nid d'abeilles, offrant une excellente rigidité pour une masse minimale.

Les matériaux utilisés témoignent des progrès réalisés depuis la construction du trajectographe actuel. « Nous avons conservé une géométrie proche de celle du détecteur précédent, mais les matériaux composites ont bien évolué, explique Jean-Laurent Agram, enseignant-chercheur à l'Université de Haute Alsace et responsable de la construction de la structure mécanique du TB2S à l’IPHC. Les fibres sont aujourd'hui plus rigides, leurs performances se sont améliorées et les résines présentent également de meilleures propriétés mécaniques et de sécurité. »

Le projet, lancé dès 2017, a mobilisé des partenaires industriels et scientifiques dans plusieurs pays européens. Les principaux éléments en fibres de carbone ont été fabriqués en Italie, tandis que les grands disques ont été découpés en France par jet d'eau avant d'être expédiés à l'IPHC pour leur assemblage.

Cette étape s'est déroulée dans une salle spécialement aménagée au laboratoire, où température et hygrométrie sont maintenues constantes afin de garantir la précision des opérations de collage et la stabilité dimensionnelle des pièces. « Notre service mécanique possédait surtout une expertise sur les structures métalliques. Le travail sur les composites représentait une véritable nouveauté, commente Jean-Laurent Agram. Le laboratoire a investi dans une salle dédiée et dans un gabarit de très haute précision afin d'assurer une parfaite répétabilité des assemblages. »

A l’IPHC, l’équipe de l’atelier mécanique a collé, boulonné puis assemblé les différentes pièces avec une grande précision jusqu'à former la structure finale. S’en est suivi une campagne complète de contrôles métrologiques et d'essais mécaniques, qui a permis de valider les performances de l'ensemble, notamment sa capacité à supporter une charge correspondant aux futurs détecteurs.

Après sa validation finale, la structure a quitté l’IPHC dans une caisse de transport spécialement conçue pour préserver son intégrité pendant son acheminement en camion jusqu'au CERN. Arrivée sur le site de Meyrin du grand laboratoire franco-suisse, elle fera l'objet d'une nouvelle campagne de mesures avant d'être installée sur son châssis d'intégration. Les premiers essais d'insertion de détecteurs débuteront dans les prochains mois, avant l'installation des détecteurs définitifs prévue à partir de 2027.

« C'est une vraie satisfaction de voir ce projet aboutir, confie Jean-Laurent Agram. Après des années de conception, de fabrication et de qualification, nous sommes heureux de livrer une structure conforme aux attentes, qui ouvrira la voie à l'assemblage du futur trajectographe de CMS. » 

Jérémy Andrea, chercheur à l’IPHC et à l'antenne de l'IN2P3 au CERN (AICP, CNRS / CERN), coordonne l’intégration du TB2S dans l’expérience CMS depuis le site du CERN : « Le TB2S est le premier élément du futur trajectographe de CMS à arriver au CERN, et toute la collaboration est évidemment très enthousiasmée par l’événement ! Le transport depuis Strasbourg s’est déroulé sans encombre, et quelques jours seulement après son arrivée, le TB2S a été installé en salle blanche. ». 

Et les activités de l'IN2P3 ne s'arrêtent pas à la construction de la structure mécanique du TB2S : à Strasbourg, les modules de détection 2S seront intégrés sur des structures mécaniques ultra-légères en forme d'échelle, équipées des câbles électriques et des fibres optiques nécessaires à leur fonctionnement. Chaque échelle, qui accueillera 12 modules, sera soumise à une série de tests à −30 °C avant d'être expédiée au CERN. Cette phase du projet, coordonnée par Éric Chabert, devrait s'achever d'ici à la fin de l'année 2028.

« Au CERN, les échelles seront insérées dans les trois couches du TB2S, connectées au système d’alimentation électrique et d’acquisition, puis testées », explique Jérémy Andrea, qui supervisera cette phase d’intégration. Ces manœuvres techniques, menées grâce au soutien central de l’AICP, constitueront l'une des dernières étapes de la construction du trajectographe.