Depuis son lancement en 2008, le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) a révolutionné notre compréhension de la physique, permettant aux chercheurs d’explorer les éléments fondamentaux de l’univers. Situés à environ 100 mètres sous la frontière entre la France et la Suisse, les particules sont accélérées le long de la circonférence de 27 kilomètres du LHC, atteignant presque la vitesse de la lumière avant de se percuter.

Le LHC est souvent qualifié de plus grande machine jamais construite. Bien que les physiciens qui réalisent des expériences dans cette installation attirent souvent l’attention, des centaines d’ingénieurs et de techniciens sont nécessaires pour assurer son bon fonctionnement. Parmi eux, Irene Degl’Innocenti, ingénieure en électronique numérique à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), qui gère le LHC. Membre du groupe d’instrumentation de faisceau de CERN, Degl’Innocenti conçoit des équipements électroniques sur mesure pour mesurer la position des faisceaux de particules en mouvement.

Irene Degl’Innocenti

Employeur :

CERN

Profession :

Ingénieure en électronique numérique

Formation :

Licence et master en ingénierie électrique ; doctorat en ingénierie électrique, électronique et communications, Université de Pise, Italie

« C’est une machine immense qui réalise des tâches très complexes, donc l’expertise requise est considérable », déclare Degl’Innocenti.

Les systèmes électroniques sur lesquels elle travaille ne représentent qu’une petite partie de l’ensemble de l’opération, ce dont elle est pleinement consciente lorsqu’elle descend dans les tunnels vastes du LHC pour installer ou tester son matériel. Cependant, elle tire une grande satisfaction de sa contribution à un projet d’une telle envergure.

« Vous faites partie de quelque chose de très grand », dit-elle. « Vous vous sentez membre d’une vaste communauté qui cherche à comprendre ce qui se passe réellement dans l’univers, et c’est très fascinant. »

Des Perspectives de Carrière en Physique des Hautes Énergies

Originaire d’Italie, Degl’Innocenti rêvait de devenir romancière. Pendant ses années de lycée, elle s’orientait vers les sciences humaines, mais elle avait une affinité naturelle pour les mathématiques, en partie grâce à sa mère, enseignante de sciences.

« Je suis une personne très analytique, et cela a toujours fait partie de ma façon de penser, mais je ne trouvais pas les mathématiques séduisantes quand j’étais petite », confie Degl’Innocenti. « Il m’a fallu du temps pour réaliser les opportunités qu’elles pouvaient offrir. »

Elle a commencé à s’intéresser à l’électronique vers l’âge de 17 ans, car cela semblait être le moyen le plus direct de traduire sa pensée logique et mathématique en une carrière. En 2011, elle s’est inscrite à l’Université de Pise, où elle a obtenu sa licence en ingénierie électrique en 2014, puis a poursuivi avec un master dans le même domaine.

À cette époque, Degl’Innocenti ignorait qu’il existait des opportunités pour les ingénieurs dans le domaine de la physique des hautes énergies. Cependant, elle a appris qu’un camarade de classe avait effectué un stage d’été à Fermilab, le laboratoire de physique des particules et d’accélérateurs à Batavia, dans l’Illinois. Elle a donc postulé et remporté un stage là-bas en 2015. Étant donné que Fermilab et CERN collaborent étroitement, elle a pu contribuer à la conception d’une carte de traitement de données pour l’expérience Compact Muon Solenoid du LHC.

Par la suite, elle a cherché un stage plus proche de chez elle et a découvert le programme d’étudiants techniques de CERN, qui permet aux étudiants de travailler sur un projet pendant un an. Au sein du groupe d’instrumentation de faisceau, Degl’Innocenti a conçu un système d’acquisition numérique qui est devenu la base de son mémoire de master.

Mesurer la Position des Faisceaux de Particules

Après avoir obtenu son master en 2017, Degl’Innocenti a poursuivi un doctorat, également à l’Université de Pise. Elle a mené ses recherches dans la section de mesure de position des faisceaux de CERN, qui construit des équipements pour mesurer la position des faisceaux de particules au sein du complexe d’accélérateurs de CERN. Le LHC dispose d’environ 1 000 moniteurs répartis autour de l’anneau de l’accélérateur. Chaque moniteur se compose généralement de deux paires de capteurs placés de part et d’autre du tube de l’accélérateur, permettant de mesurer les positions horizontale et verticale du faisceau en comparant la force du signal à chaque capteur.

Le concept sous-jacent est simple, explique Degl’Innocenti, mais ces mesures doivent être précises. Des paquets de particules passent par les moniteurs toutes les 25 nanosecondes, et leur position doit être suivie avec une précision de 50 micromètres.

« Nous commençons à développer un système des années à l’avance, et il doit fonctionner pendant plusieurs décennies. »

La plupart du traitement du signal se fait normalement en analogique, mais pendant son doctorat, elle s’est concentrée sur le transfert d’une grande partie de ce travail vers le domaine numérique, car les circuits analogiques sont capricieux, dit-elle. Ils nécessitent un étalonnage précis, et leur précision a tendance à dériver avec le temps ou lorsque les températures varient.

« C’est complexe à maintenir », dit-elle. « Cela devient particulièrement délicat lorsque vous avez 1 000 moniteurs, et qu’ils sont situés dans un accélérateur à 100 mètres sous terre. »

Cependant, des informations peuvent être perdues lors de la conversion de l’analogique au numérique, c’est pourquoi Degl’Innocenti a analysé les performances des derniers convertisseurs analogique-numérique (CAN) et a étudié leur impact sur les mesures de position.

Conception des Électroniques de Surveillance des Faisceaux

Après avoir terminé son doctorat en ingénierie électrique, électronique et communications en 2021, Degl’Innocenti a rejoint CERN en tant que chercheuse postdoctorale senior. Deux ans plus tard, elle est devenue employée à temps plein, appliquant les résultats de ses recherches au développement de nouveaux matériels. Actuellement, elle conçoit un nouveau moniteur de position de faisceau pour la mise à niveau High-Luminosity du LHC, prévue pour 2028. Ce nouveau système utilisera probablement un système sur puce pour intégrer la plupart des composants électroniques, y compris plusieurs CAN et un réseau de portes programmables sur le terrain (FPGA) que Degl’Innocenti programmera pour exécuter un nouvel algorithme de traitement numérique du signal.

Elle fait partie d’une équipe de seulement 15 personnes qui s’occupent de la conception, de la mise en œuvre et de la maintenance continue des moniteurs de position de faisceau de CERN. Elle collabore donc étroitement avec les ingénieurs qui conçoivent les capteurs et les logiciels pour ces instruments, ainsi qu’avec les physiciens qui exploitent l’accélérateur et définissent les exigences des instruments.

« Nous commençons à développer un système des années à l’avance, et il doit fonctionner pendant plusieurs décennies », souligne Degl’Innocenti.

Perspectives dans la Physique des Hautes Énergies

La physique des hautes énergies offre une variété d’opportunités intéressantes pour les ingénieurs, affirme Degl’Innocenti, notamment dans les domaines de l’électronique de haute précision, des systèmes sous vide et de la cryogénie.

« Les machines sont très grandes et très complexes, mais nous nous intéressons à des éléments très petits », dit-elle. « Il y a beaucoup de grands chiffres impliqués, tant à grande échelle qu’en ce qui concerne la précision à petite échelle. »

Les compétences en conception de FPGA sont très recherchées dans tous les types d’installations de recherche, et les systèmes embarqués deviennent également de plus en plus importants, selon Degl’Innocenti. L’essentiel est de garder l’esprit ouvert quant à l’application de vos connaissances en ingénierie, dit-elle. Elle n’aurait jamais pensé qu’il y aurait des opportunités pour des personnes avec ses compétences au CERN.

« Vérifiez toujours quelles technologies sont utilisées », conseille-t-elle. « Ne vous limitez pas en supposant qu’il ne serait pas possible de travailler quelque part. »