Une particule pénètre dans une plaque de silicium comme un coursier dans une ville inconnue : elle ne doit pas seulement livrer son signal, mais aussi laisser une trace précise de l'heure de son passage. Le capteur tridimensionnel sur la puce Timepix4 enregistre ce passage avec une précision de 245 picosecondes et indique le lieu de la rencontre avec une incertitude de seulement 7 micromètres. Une telle carte de la ville a pu être dressée sur un faisceau de particules au CERN, où le capteur a été irradié par des hadrons de 180 GeV.

Cette ville est organisée de manière inhabituelle : au lieu de rues plates, des colonnes d'électrodes traversent le silicium, entrant par les deux faces. Une particule qui passe entre elles génère une charge qui se répartit entre les pixels, comme une foule dans les ruelles. Mais tous les quartiers ne se valent pas : près des colonnes elles-mêmes, le champ est non uniforme et le temps y est moins bien mesuré. Il s'avère qu'en ne considérant que les impacts entre les électrodes, la résolution s'améliore jusqu'à 153 picosecondes, alors qu'à proximité des surfaces, là où il n'y a pas de colonnes en vis-à-vis, elle chute à 720 picosecondes pour des particules uniques.

Pour contourner ces quartiers morts, le capteur a été incliné de 8 degrés. Ainsi, les particules le traversaient en biais, et l'efficacité de détection a dépassé 99 %, tandis que la résolution temporelle s'est encore améliorée de 6 %, pour atteindre 233 picosecondes. La précision spatiale a alors atteint 7 micromètres, ce qui équivaut à l'épaisseur d'un fil de toile d'araignée. Cette astuce fonctionne parce que l'inclinaison allonge le trajet de la particule et que la charge se répartit sur un plus grand nombre de pixels.

Mais pourquoi est-ce important ? Le futur collisionneur à haute luminosité entrera en collision de particules si fréquemment que chaque événement produira plusieurs collisions simultanées. Le détecteur devra distinguer quelle particule provient de quelle collision, ce qui nécessite une résolution temporelle meilleure que 50 picosecondes. Pour l'instant, 245 picosecondes ne sont qu'un pas vers l'objectif, mais ces travaux ont montré où la précision se perd exactement. Il faut donc modifier la géométrie des électrodes, et pas seulement la puce.

Aujourd'hui, ces résultats aident déjà à choisir la forme des électrodes pour le détecteur de vertex de LHCb Upgrade II. Ce fameux coursier qui est entré dans une ville inconnue sait désormais quels quartiers éviter pour livrer son signal à temps. Et la carte de ces quartiers n'est pas dessinée au hasard, mais à partir des données d'un véritable faisceau de particules.