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ETUDE EN COSMIQUES D’UNE TPC A LECTURE MICROMEGAS POUR LE FUTUR COLLISIONNEUR LINEAIRE

ETUDE EN COSMIQUES D’UNE TPC A LECTURE MICROMEGAS POUR LE FUTUR COLLISIONNEUR LINEAIRE. Maximilien Chefdeville Stage effectué au CEA / DAPNIA. Plan. Introduction Contexte Le projet TESLA La technologie Micromegas Etude en cosmiques de la TPC Micromegas Présentation du prototype

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ETUDE EN COSMIQUES D’UNE TPC A LECTURE MICROMEGAS POUR LE FUTUR COLLISIONNEUR LINEAIRE

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Presentation Transcript

  1. ETUDE EN COSMIQUES D’UNE TPC A LECTURE MICROMEGAS POUR LE FUTUR COLLISIONNEUR LINEAIRE Maximilien Chefdeville Stage effectué au CEA / DAPNIA

  2. Plan • Introduction • Contexte • Le projet TESLA • La technologie Micromegas • Etude en cosmiques de la TPC Micromegas • Présentation du prototype • Optimisation des performances de l’acquisition et étude du rayonnement cosmique au sol • Influence du champ magnétique • Optimisation du mélange gazeux • Comparaison aux données • Conclusion • Contribution au développement d’une TPC digitale • Présentation • Optimisation du mélange gazeux • Calibration du dispositif • Simulation de la longueur projetée • Conclusion

  3. Contexte • Le modèle standard • Théorie électrofaible + QCD • Testé à un haut degré de précision • Nombreux paramètres libres : masses et constantes de couplage • Questions ouvertes • Origine des masses et brisure de la symétrie électrofaible par le mécanisme de Higgs ? • Nature de matière noire ? • Unification des quatre forces ? • Thèmes de recherche • Découverte du boson de Higgs et étude détaillée de ses propriétés • Recherche de particules supersymétriques • Recherche de phénomènes au-delà du modèle standard SUGRA, supercordes … • Prochains Collisionneurs • Le Large Hadron Collider (proton / proton, 14 TeV dans le centre de masse) • Le futur collisionneur linéaire (projets NLC, JLC, TESLA)

  4. Le projet TESLA • Collisionneur e+/e- supraconducteur • Piloté par DESY • 33 km • Energie de 500 à 800 GeV • Luminosité de 3,4.1034 cm-2 s-1 • Détecteurs • Détecteur de vertex • Trajectographe • Calorimètre électromagnétique • Calorimètre hadronique • Chambre à projection temporelle • Reconstruit les trajectoires de particules chargées • Calcul du dE/dx • Systèmes d’amplification et de lecture • association fils et damiers • Micro Pattern Gaseous Detector

  5. Micromegas • Principe • Micro grille séparant les 2 zones • ‘Boost’ de champ à la traversée de la grille • Multiplication après la grille • Collection sur des damiers, des pistes ou des pixels Focalisation des électrons Capture des ions • Performances • Collection rapide du signal • Transparence aux électrons • Retour des ions négligeable • Dispositif peu coûteux Avalanche

  6. Prototype de TPC Micromegas • Cage de dérive • 50 cm de long • 53 cm de diamètre • Grille • pas de 50 microns • gap de 50 microns • 1024 damiers de lecture • 1024 voies d’électronique • Aimant supraconducteur de 2T 2x10 mm² pads 1x10 mm² pads

  7. Optimisation des performances de l’acquisition • Dispositif de l’acquisition • Scintillateurs • Coïncidence (déclenchement) • Carte de déclenchement • Cartes de lecture • Processeur d’acquisition • PC • Problématique • Beaucoup de déclenchements inutiles • Proposer de nouvelles configurations

  8. Simulation du rayonnement cosmique • Configuration initiale C1 = Sc#2(40x40cm, h=220) + TPC(49x19cm,h=0) + Sc#3(78x85cm,h=-75) • Calcul Monte Carlo des efficacités • Configuration des scintillateurs • Distribution angulaire des cosmiques • Distribution en cos3θ.sinθ • Configurations optimisées C2 = Sc#4(53x30cm,h=115) + TPC +Sc#1(57x29cm,h=-73) + Sc#3 C3 = Sc#4(53x30cm,h=115) + TPC + Sc#3

  9. Optimisation des taux de déclenchement • Taux de déclenchement • Taux cosmique à travers le scintillateur le plus haut de 18 Hz • Déduction du taux de déclenchement par calcul Monte Carlo • Temps de lecture • Réduction de 20 à 3 s • Calcul Monte Carlo des taux de déclenchements lus • Calcul Monte Carlo des taux de bons déclenchements lus

  10. Influence du champ magnétique • Plage de 0 à 2 T accessible • On mesure le rayon de courbure des traces • Spectre en impulsion des muons • Perte de statistique dans les basses impulsions • Taux lus constants Temps mort domine toujours

  11. Optimisation du mélange gazeux • Contraintes sur le mélange gazeux • Faible temps d’occupation de la chambre • Insensibilité aux fluctuations de champ électrique • Précision optimale sur les coordonnées • Pas de capture d’électrons primaires • 4 Mélanges sélectionnés • Porteur : argon • Quenchers : CF4, CO2, CH4, iC4H10 • Choix du champ de dérive • Ar + 3% CF4 8,57 cm/μs @ 220 V/cm • Ar + 5% iC4H10 4,18 cm/μs @ 210 V/cm • Ar + 10% CH4 (P10) 5,48 cm/μs @ 150 V/cm • Ar + 5% CH4 + 3% CO2 (TDR) 4,56 cm/μs @ 230 V/cm

  12. Diffusion transverse & facteur ωτ • Réduction par le champ magnétique caractérisée par le facteur ωτ • On vérifie ωτ~ vd.B / E Influence de B dans le mélange Argon/10%CH4 La simulation sur estime les mesures et converge vers elles à haut champ

  13. Vitesse de dérive et distribution en temps • Utilisation de traces sortant par le fond de la chambre Bon accord avec l’expérience • Distribution des temps de dérive • Distribution homogène des temps de dérive

  14. Conclusion • Acquisition optimisée • Taux de déclenchement • Temps de lecture Taux de bons événements lus par le PC multiplié au minimum par 10 • Mélange gazeux optimisé • Influence du champ magnétique • Suppression des traces de faibles impulsions • Réduction de la diffusion transverse Temps mort domine toujours Diffusion transverse réduite d’un facteur 3 à 7 selon le gaz • Prise de données terminée • Calcul des vitesses de dérive • Distribution des temps de dérive • Ecarts dans les calculs de diffusion transverse TPC fonctionne correctement Analyse à approfondir

  15. Contribution au développement d’une TPC digitale • Collaboration MediPix2 • 13 pays européens (NIKHEF) • Transfert technologie de hep au médical • Technologie MediPix2 • Puce électronique pixélisée combinée à un convertisseur photon/électron • Destinée à l’imagerie • Sensible au photon unique • Caractéristiques • Matrice de 256x256 pixels (64k voies électroniques) • Pixel de 55x55 μm² (~500 transistors / pixel) • Fenêtre en énergie (2 discriminateurs / pixel) • Association avec Micromegas • Suppression du convertisseur • Collecte des e- de l’avalanche sur les pixels • But • Détecter des électrons uniques pour observer des particules au minimum d’ionisation.

  16. Dispositif et contraintes expérimentals • Détecteur • Chambre de 10x10x15 mm3 • Grille Micromegas • Gap de 50 μm • MediPix2 • Contraintes • Précision transverse optimale • Pas de capture d’e- primaire • Sortir du bruit et voir e- unique • Pas d’étincelles • Clusters suffisamment espacés MediPix2 Micromegas Cathode • Mélanges gazeux sélectionnés • Porteurs : hélium & argon • Quenchers : CF4 & iC4H10

  17. Optimisation du mélange gazeux • Diffusion transverse constante sur une large plage de champ • He +20% CF4 128 mm/cm1/2@1 kV/cm • He +20% iC4H10 189 mm/cm1/2@1 kV/cm • Ar +20% iC4H10 249 mm/cm1/2@1 kV/cm Champ de dérive ~ 1 kV/cm • Attachement • négligeable dans l’espace de conversion • dominé par le coefficient de Townsend dans l’espace de multiplication • Claquage • Tensions de claquage des grilles connues • Forte proportion de quencher réduit le risque Champ de multiplication ~ 70-90 kV/cm

  18. Calibration du dispositif • Description • Détermine G=f(Vgrille) • Source de fer 55 • 2 types de MediPix2 • Non modifiés (20% surface métallisée) • Modifiés (80% surface métallisée) • Gains maximums • He + 20% iC4H10 29000 @ 96 kV/cm (modif) 8200 @ 96 kV/cm (unmodif) • He + 20% CF4 5500 @ 98 kV/cm (unmodif) G(modif.) ~ 3,8 . G(unmodif.)

  19. Observation de particules au minimum d’ionisation Rayonnement delta ? • Sources • Cosmique • Radioactive • Observation • Électron unique • Clusters MediPix2 + Micromegas fonctionne Source d’américium

  20. Simulation de la longueur projetée • Analyse en cours • Longueur moyenne projetée sur le plan de pixels • Nombre moyen de clusters attendus dans le gaz • Calcul Monte Carlo • Distribution en cos3θ.sinθ des muons • Calcul de la longueur projetée (en mm) sur le plan de pixels (10x10 mm²) • Comparaison avec les données de NIKHEF • Simulation • Analyse Accord satisfaisant

  21. Conclusion • Fonctionnement MediPix2+Micromegas pour l’observation de MIP est validé : prise de données très encourageante • Applications en TPC • Très bonne résolution spatiale • Très bonne résolution en impulsion • Séparation des traces en milieu de haute multiplicité • Perte d’énergie est donnée par le nombre de clusters • Manque l’information sur la 3eme coordonnée • Prochains développements • Remplacer les compteurs de chaque pixels par un compteur de temps (Time Digital Converter) • Intégrer un dispositif MPGD TimePix1 TimePixGrid

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