The ATAR, a dense and compact vertex detector for the PIONEER experiment
Cet article présente la conception et l'état de développement en 2026 de l'ATAR, une cible active à haute granularité composée de 48 détecteurs à bandes à avalanche à faible gain dotés d'une résolution temporelle et spatiale précise, qui constitue un composant critique de l'expérience PIONEER au PSI pour atteindre une précision de mesure de 0,01 % du rapport de branchement du pion chargé.
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Dans le monde subatomique, les particules appelées pions sont des messagers éphémères qui se désintègrent presque instantanément après leur création. Lorsqu'un pion chargé positivement se brise, il se transforme généralement en un muon et une particule fantomatique appelée neutrino. Très rarement, cependant, il choisit un chemin différent, se désintégrant directement en un positron et un neutrino. Cet événement rare est un test fondamental de la manière dont l'univers fonctionne, plus précisément d'un principe appelé universalité leptonique, qui suggère que la nature traite les différents types de particules légères avec un poids égal, indépendamment de leur masse. Les calculs théoriques prédisent exactement la fréquence à laquelle ce désintégration rare devrait se produire, mais les mesures les plus précises dont nous disposons jusqu'à présent sont légèrement inférieures à cette prédiction. Les scientifiques doivent savoir si cet écart est simplement une erreur de mesure ou le signe d'une nouvelle physique cachée dans l'ombre. Pour résoudre cela, ils doivent compter ces événements rares avec une précision qui n'a jamais été atteinte auparavant, nécessissant un détecteur capable de voir les plus infimes détails des derniers instants d'une particule.
Une équipe de chercheurs connue sous le nom de collaboration PIONEER construit une machine pour rendre cette mesure possible à l'Institut Paul Scherrer en Suisse. Leur objectif est de mesurer le rapport des désintégrations de pions en électrons par rapport aux muons avec une précision de un centième de pourcent, un niveau de précision qui correspond aux meilleures prédictions théoriques. Le cœur de cette nouvelle machine est un dispositif appelé l'ATAR, un empilement dense et compact de capteurs en silicium conçu pour agir comme une cible entièrement instrumentée. Contrairement aux expériences traditionnelles où les particules traversent l'espace vide avant de frapper un détecteur, l'ATAR arrête le faisceau de pions entrant directement à l'intérieur des couches de capteurs. Cela permet à la machine de capturer le moment exact où un pion s'arrête, comment il se désintègre, et l'énergie des particules résultantes avec un détail sans précédent. Le dispositif est composé d'un empilement de 48 détecteurs à bandes à faible gain (LGAD), où chaque plan de capteur contient 100 micro-bandes, empilées pour créer une épaisseur de cible totale d'environ six millimètres.
Le défi pour l'équipe PIONEER est que la désintégration rare qu'ils traquent ressemble beaucoup à un événement de fond bien plus commun. Lorsqu'un pion se désintègre en un muon, ce muon peut ensuite se désintégrer en un électron, créant un signal qui imite la désintégration directe rare. Pour séparer les deux, l'ATAR repose sur une vitesse et une précision spatiale extrêmes. Les capteurs en silicium sont capables de mesurer le temps avec une résolution de deux cents picosecondes, ce qui est assez rapide pour distinguer l'arrêt initial du pion de la désintégration ultérieure de sa particule fille. En enregistrant la forme d'onde électrique complète du signal, le système peut même faire la différence entre deux impulsions arrivant à seulement deux nanosecondes d'intervalle dans le même canal. Cette capacité de synchronisation permet aux chercheurs de filtrer les chaînes de désintégration communes, conservant les événements rares dont ils ont besoin tout en rejetant des millions de signaux de fond.
Au-delà du minutage, l'ATAR mesure l'énergie déposée par les particules lorsqu'elles passent à travers ou s'arrêtent dans le silicium. Un pion qui s'arrête dans la cible laisse une signature énergétique distincte d'environ quatorze millions d'électron-volts, tandis qu'un muon qui s'arrête laisse un dépôt beaucoup plus faible de quatre virgule un millions d'électron-volts. Cette différence d'énergie, combinée au minutage précis, aide l'équipe à identifier le type spécifique de particule impliquée dans chaque événement. Les capteurs sont disposés en un empilement où chaque couche est pivotée de quatre-vingt-dix degrés par rapport à la précédente, créant une carte tridimensionnelle du trajet de la particule. Cette information spatiale est cruciale pour reconstruire la forme de l'événement et s'assurer que le positron de la désintégration rare est correctement identifié et suivi jusqu'au calorimètre environnant, un grand détecteur qui mesure l'énergie totale des particules.
Pour gérer la quantité massive de données générées par cet enregistrement à haute vitesse, l'électronique est placée en dehors du chemin immédiat des particules afin de ne pas interférer avec les mesures d'énergie. Le système utilise des amplificateurs rapides et des puces spécialisées qui numérisent les formes d'onde en temps réel, capturant la forme du signal pour analyser la hauteur de l'impulsion et le minutage plus tard. L'équipe développe actuellement des prototypes de ce système, avec une version de test appelée ATAR 8, consistant en un empilement de 8 à 10 couches de capteurs, prévue pour des tests fin 2026. Les premières simulations et tests suggèrent que cette approche pourrait rejeter le bruit de fond par un facteur de cinq cents tout en conservant la moitié des événements rares qu'ils recherchent. Si elle réussit, l'expérience PIONEER fournira une mesure définitive du rapport de désintégration du pion, soit en confirmant notre compréhension actuelle de l'univers, soit en révélant une fissure dans le modèle standard qui pointe vers une nouvelle physique encore non découverte.
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