Le calorimètre électromagnétique du tonneau central et des bouchons

Le calorimètre électromagnétique est composé de 80 000 cristaux de tungstate de plomb ($PbWO_4$) de section rectangulaire, rassemblés en modules (de 400 à 500 cristaux) et présentant leur surface de section rectangulaire vers le point d'interaction. Ce cristal a été choisi car il possède une faible longueur de radiation (0,89 cm) et un petit rayon de Molière$^($⁶$^)$ (2,19 cm). De plus c'est un détecteur rapide ($\sim$ 25 ns) et de production relativement facile [EcalTDR].

La lumière produite dans le cristal est lue par une photodiode à avalanche (APD). Cette APD est constituée d'une jonction PN dans laquelle les photons sont convertis en électrons (dans la couche $p^{++}$), qui sont accélérés par un champ électrique intense, créant ainsi une avalanche. Cette amplification est nécessaire pour compenser le faible nombre de photons de scintillation produits dans les cristaux. Une électronique de lecture placée après les APD numérise l'information et l'envoie vers les fibres optiques (figure ).

Figure: Système de lecture des cristaux de l'ECAL.

La couverture géométrique des cristaux s'étend jusqu'à $\vert\eta\vert = 3$. La granularité dans le tonneau sera de $\Delta \eta \times \Delta \phi = 0,0175 \times 0,0175$, ce qui correspond à une section de cristal de $22 \times 22$ $mm^2$. On peut, à l'aide de cette granularité, mesurer la position du départ de la gerbe électromagnétique avec une résolution de $400$ $\mu m$ pour une énergie de 50 $GeV$. Une épaisseur d'environ $26$ longueurs de radiation est nécessaire à $\vert\eta\vert = 0$ pour conserver de bonnes performances avec des gerbes électromagnétiques très énergétiques. Ceci correspond à des cristaux de $23$ $cm$ de long dans le tonneau.

Dans les bouchons ( $1,48 \leq \eta \leq 3$) la granularité va augmenter progressivement jusqu'à une valeur maximum de $\Delta \eta \times \Delta \phi = 0,05 \times 0,05$ tout en conservant la même valeur pour la section du cristal. Pour compenser cette augmentation de la granularité, un détecteur de pied de gerbe (ou "preshower") a été placé en avant du calorimètre.

Pour une gamme d'énergie comprise entre $25$ et $500$ $GeV$, typiquement celle des photons provenant de la désintégration du Higgs, la résolution en énergie de ECAL est:

$$\left(\frac{\sigma}{E}\right)^2 = \left(\frac{a}{\sqrt{E}}\right)^2 + \left(\frac{\sigma_n}{E}\right)^2 + c^2$$

où l'énergie $E$ est exprimée en GeV, $a$ est un terme stochastique qui inclut les fluctuations statistiques sur la mesure de l'énergie de la gerbe et $\sigma_n$ est le bruit dû à l'électronique et aux événements de biais minimum; $c$ est un terme constant incluant les pertes de signal dues aux fuites du volume et les erreurs de calibration (voir tableau ).

Table: Contributions des différents termes à la résolution en énergie du calorimètre électromagnétique. Les valeurs pour le terme de bruit correspondent à une énergie reconstruite avec un réseau de $5 \times 5$ cristaux [EcalTDR].

Termes	tonneau ($\vert\eta\vert = 0$)	bouchon ($\vert\eta\vert=2$)
Stochastique	$2,7\%/\sqrt{E}$	$5,7\%/\sqrt{E}$
Constant	0,55%	0,55%
Bruit (basse luminosité)	155 MeV	205 MeV
Bruit (haute luminosité)	210 MeV	245 MeV