Le LHC (Large Hadron Collider) à haute luminosité vise à augmenter le nombre de collisions de particules afin d'étudier encore plus finement les propriétés du boson de Higgs et débusquer une éventuelle nouvelle physique.
La densité accrue de particules et de radiation oblige à remplacer certains équipements. C'est le cas en particulier du détecteur de traces internes de l'expérience Atlas du LHC, qui permet de détecter le passage de particules chargées au plus près du point de collision (trajectographe interne).
Composé de modules en silicium, ce nouveau détecteur (appelé ITk) couvrira une surface sept fois plus étendue que le trajectographe actuel, avec près de cent fois plus de canaux électroniques. Sa construction mobilise plus de cent instituts, dont le Paris-Cluster qui associe l'Irfu, le Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (Paris) et le Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay).
Les modules silicium d'ITk sont organisés en cylindres gigognes, autour de l'axe du faisceau de particules. Plus précisément, le Paris-Cluster est engagé dans la construction d'un tiers des modules du sous-ensemble appelé ITk-pixel outer barrel, soit environ 2.250 modules.
Chaque module est un assemblage de quatre puces électroniques d'une surface d'environ 420 mm2. Chacune d'elles contient 153.600 diodes sensibles aux particules ionisantes et leur électronique embarquée. Les puces sont reliées par des micro-connexions à un circuit imprimé pour la collecte des données.
Les différents éléments, conçus par plusieurs laboratoires de la collaboration Atlas et fabriqués par des industriels, ont été livrés au Paris-Cluster pour s'exercer aux premiers assemblages et tests : métrologie, nettoyage, collage, réalisation des micro-connexions, etc. La robustesse des modules a enfin été vérifiée par des cycles thermiques entre -55°C et 60°C.
L'Irfu a pris en charge les micro-connexions entre les puces et le circuit imprimé et ses partenaires, la métrologie et le collage des puces. Pour cela, les équipes de l'Irfu se sont dotées d'équipements spécifiques et ont réalisé, entre septembre et décembre 2020, les micro-connexions de 20 modules, soit 24.000 soudures !
Le 8 décembre 2020, le Paris-Cluster a été qualifié pour la première phase d'assemblages des modules, avec des puces non fonctionnelles. La 2e phase démarre. Dans les prochains mois, le Paris-Cluster construira et testera des modules avec des puces fonctionnelles, cette fois, depuis le contrôle de réception des éléments individuels jusqu'à la caractérisation à froid des modules assemblés. À l'issue de ces phases de qualification, les laboratoires mettront en place la pré-production de modules prototypes. La production des modules définitifs devrait débuter fin 2022.