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Construction du calorimétre électromagnétique de CMS: cristaux de tungstate de plomb. Photo : Peter Ginter

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Francesca Nessi-Tedaldi a travaillé sur la physique des collisionneurs dans le cadre de l’expérience UA2 puis sur la recherche et le développement de calorimètres pour le LHC. Rattachée à l’ETH de Zurich, elle a travaillé pendant plusieurs années sur l’expérience CMS.

Francesca Nessi-Tedaldi« Le détecteur CMS, solénoïde compact pour muons, va nous aider à résoudre certaines des énigmes de la nature non encore résolues, depuis l’origine de la masse des particules jusqu’à la raison de l’absence d’antimatière dans notre monde. Bien entendu, nous allons rechercher l’hypothétique boson de Higgs, mais au LHC nous serons également à l’affût d’autres particules exotiques, attendues ou inattendues.

L’aimant solénoïdal de CMS sera le plus gigantesque jamais construit. Il produira un champ magnétique de 4 Tesla, soit environ 100 000 fois le champ magnétique de la Terre. Pour fermer les lignes d’un tel champ, le solénoïde est entouré d’une culasse constituée d’assez de fer pour construire une seconde tour Eiffel. À l’intérieur de cet énorme aimant, les calorimètres de CMS mesureront l’énergie des particules.

Je travaille sur le calorimètre électromagnétique destiné à détecter les photons, les électrons et les positons. Ce calorimètre est constitué de 80 000 cristaux extrêmement denses de tungstate de plomb, plus lourd que le fer. Chose surprenante, ces cristaux sont transparents, alors qu’ils sont presque entièrement composés de métal. Le plomb, et le tungstène, encore plus lourd, contribuent en effet à 98 % de leur masse. Le poids de tous les cristaux équivaut à celui de vingt-quatre éléphants adultes et les maintenir en place n’est pas une mince affaire. Des prouesses d’ingénierie ont été nécessaires pour leur fabriquer un bâti mécanique, un châssis à structure en nid d’abeille. Les parois de cette structure ne mesurent que 0,4 millimètre d’épaisseur, et elles ne s’inclinent pas, ne fléchissent pas et ne se déforment pas. Cette impressionnante construction pointera les milliers de cristaux vers le centre du détecteur, tel l’œil d’une mouche.

Les flux de particules issues des collisions du LHC seront extrêmement élevés, exerçant une contrainte considérable sur les performances et la durée de fonctionnement des couches internes de la machine. Le flux de particules nécessite une très grande qualité d’enregistrement. Cette zone étant particulièrement inaccessible, nous voulons éviter aux maximum les opérations de maintenance. Après avoir contribué aux études techniques poussées et aux simulations du calorimètre, je me suis plus particulièrement occupée ces dernières années de recherche sur la résilience de nos cristaux, les testant dans des faisceaux de particules intenses pour m’assurer de leur efficacité du début à la fin de l’exploitation du LHC.

Les cristaux viennent de Chine et de Russie et l’histoire de ce transfert de technologie est intéressante. En Chine, la production des cristaux repose sur des techniques bien maîtrisées de traitement à haute température. Elles trouvent leur origine dans des méthodes centenaires de fabrication d’exquises porcelaines destinées à l’aristocratie asiatique et européenne. En Russie, la production s’appuie sur le programme de non-prolifération des armes du Centre international des sciences et techniques, qui a permis à cette application à caractère pacifique qu’est la fabrication des cristaux de devenir l’un des succès de l’expérience CMS. »