HL-LHC : L¡¯IN2P3 fait ses premiers pas dans les d¨¦tecteurs 4D

Une ¨¦quipe d¡¯ing¨¦nieurs en micro-¨¦lectronique de trois laboratoires de l¡¯IN2P3 (1) a d¨¦velopp¨¦ et test¨¦ deux g¨¦n¨¦rateurs d¡¯horloge de tr¨¨s haute pr¨¦cision. Ces composants serviront ¨¤ battre la mesure dans les d¨¦tecteurs du futur collisionneur haute luminosit¨¦ du CERN (HL-LHC) afin de chronom¨¦trer ¨¤ 2 picosecondes pr¨¨s le moindre ¨¦v¨¦nement qui s¡¯y produira. Cette 4e dimension ? temporelle ? qui vient enrichir les donn¨¦es, am¨¦liorera la pr¨¦cision et la qualit¨¦ des mesures tout en diminuant le flot de donn¨¦es ¨¤ traiter.

Dans le futur LHC Haute Luminosit¨¦ (HL-LHC) le nombre de collisions proton-proton simultan¨¦es doit passer de 40 actuellement au LHC, ¨¤ pr¨¨s de 200. L¡¯empilement des signaux va devenir tel que de nouvelles strat¨¦gies d¡¯enregistrement doivent ¨ºtre d¨¦velopp¨¦es afin d¡¯aider ¨¤ d¨¦m¨ºler un ¨¤ un chaque jaillissement de particule dans les d¨¦tecteurs. Un axe majeur de d¨¦veloppement poursuivi par plusieurs exp¨¦riences de physique (Atlas@HGTD, CMS@HGCAL, ECAL2@LHCb, TOF-PET...) consiste ¨¤ effectuer un d¨¦coupage temporel de chaque prise de vue des d¨¦tecteurs gr?ce ¨¤ un traitement ¨¦lectronique ultra fin. En d¡¯autres termes, il s¡¯agit d¡¯¨¦tiqueter pr¨¦cis¨¦ment l¡¯instant d¡¯arriv¨¦e de milliers de signaux dans une m¨ºme prise de vue. De cette mani¨¨re, les physiciens et physiciennes pourront reconstituer le film de la formation de l¡¯image finale et relier plus facilement les diff¨¦rentes traces les unes aux autres.
 

Horloge de grande pr¨¦cision
 

Cette strat¨¦gie a ¨¦t¨¦ explor¨¦e par une ¨¦quipe de micro-¨¦lectroniciens de trois laboratoires de l¡¯institut (IP2I, IJCLab et LPC) dans le cadre du projet de R&T Lojic130 de l¡¯IN2P3 port¨¦ par le P?le MicRhAu. Leur travail a d¨¦bouch¨¦ sur le d¨¦veloppement et la mise au point de deux composants, appel¨¦s ? boucles ¨¤ verrouillage de phase ? (PLL ou ? Phase Locked Loop ?), qui battent la mesure ¨¤ 2,56 GHz avec une pr¨¦cision remarquable. Les tests et mesures qui ont ¨¦t¨¦ conduits, ont montr¨¦ que chaque battement avait une pr¨¦cision de 2 picosecondes, soit un ? jitter absolu ? de 2ps rms dans le jargon de l¡¯¨¦lectronique. Cette exactitude sonne comme une tr¨¨s bonne nouvelle pour les physiciens, car sans elle, l¡¯¨¦tiquetage en temps n¡¯aurait pas apport¨¦ de v¨¦ritable plus-value ¨¤ leurs analyses.  ? C¡¯¨¦tait une bonne surprise d¡¯atteindre cette pr¨¦cision, explique l¡¯¨¦quipe d¡¯ing¨¦nieurs impliqu¨¦s dans le test, d¡¯autant que nous avons travaill¨¦ sur de la technologie silicium tr¨¨s classique TSMC 130 nm qui nous limite en fr¨¦quence compar¨¦ aux technologies ¨¤ 65 nm ou 28 nm. ?

Plus d'informations :

Lien vers la publication : https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/05/T05014