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1/43 Performances du détecteur en silicium à micropistes de l’expérience STAR au RHIC Jonathan Bouchet 29 octobre 2007.

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1 1/43 Performances du détecteur en silicium à micropistes de l’expérience STAR au RHIC Jonathan Bouchet 29 octobre 2007

2 2/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

3 3/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

4 4/43 a. Le Plasma de Quarks et de Gluons Aurait existé lors des 1 iers instants de l’Univers Existerait actuellement sous des formes difficilement accessibles expérimentalement Prédiction de QCD sur réseau : Tc ~ 170 MeV  c ~ 0.7 GeV/fm 3 Plasma de Quarks et de Gluons : état déconfiné de la matière nucléaire

5 5/43 b. Collisions d’ions lourds Seul moyen expérimental de recréer les conditions de pression et de température nécessaire État final accessible par des détecteurs Besoin d’observables physiques traduisant les phases initiales par lesquelles s’est déroulée la collision. État initial Pré équilibre Milieu dense et chaud (PQG ?) Hadronisation temps Détecteurs 0 fm/c2 fm/c7 fm/c

6 6/43 c. Mesure du charme ouvert Quarks lourds : produits lors des 1 iers instants de la collision par fusion gluonique Flot : si observé, preuve de la thermalisation (car leur masse élevée requiert plusieurs collisions pour atteindre ce degré de collectivité)  Décroissance hadronique (mesure directe) D 0  K -  + 3.8% D +/-  K   9.2% D 0 bar  K +  - 3.8%  Décroissance semileptonique (mesure indirecte) D 0  e + + anything 6.9% D +/-  e +/- + anything 17.2% nucl-ex/ nucl-ex/ Masse invariante D 0 (D 0 ) Spectre d’électrons non photoniques

7 7/43 d. Reconstruction directe Intérêt : séparer les contributions : B e+X D e+X But : réduire le fond combinatoire en identifiant directement la topologie du vertex de décroissance Coupure sur la distance de plus courte approche des traces nécessite une résolution précise c  = 124  m D 0 K +  - nucl-ex/

8 8/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

9 9/43 a. Relativistic Heavy Ion Collider Situé au Brookhaven National Laboratory 2 anneaux indépendants 3.83 km de diamètre Complexe pré accélération (Tandem, Booster, AGS) Flexibilité: de p à Au Protons polarisés BRAHMS PHOBOS PHENIX Long Island Prise de données runV (2005) Ös (GeV) Cu+Cu200 Cu+Cu62.4 Cu+Cu19.6 p+p (polarisés)200 p+p (polarisés)410

10 10/43 b. Solenoid Tracker At RHIC Chambre à Projection Temporelle Aimant B = 0.5 T Calorimètres Hadroniques et Électromagnétiques Détecteurs de Déclenchement Détecteurs de vertex

11 11/43 c. Silicon Vertex Tracker Couche 1 8 échelles 4 modules par échelle = 6.85 cm Couche 2 12 échelles 6 modules par échelle = 10.8 cm Couche 3 16 échelles 7 modules par échelle = 14.7 cm Dimension d’un module 60 x 60 mm 2 Résolutions spatiales  r/  =  z ~ 20  m Relativement épais : Longueur de radiation : par couche  Détecteur en silicium à dérive

12 12/43 d. Motivations du SSD Augmentation des capacités de trajectographie par une meilleure connexion des traces de la TPC avec les points d’impacts du SVT : –Une meilleure précision sur les traces provenant du vertex primaires. –Augmentation du nombre de vertex secondaires. Amélioration de la résolution en impulsion. Possible reconstruction des traces de basses impulsions transverses. Décroissance d’un  TPC SSD SVT

13 13/43 d. Silicon Strip Detector Longueur de radiation : 1.1 % X 0  Détecteur en silicium double face à micropistes 73 x 42 mm 2 x 300  m Résolutions spatiales  r/  = 25  m  z = 800  m Couche placée à 23 cm du faisceau 0.5 Millions de canaux S~1 m 2 Spécificité : Intégration Compacité (électronique intégré)

14 14/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

15 15/43 a. Reconstruction des données Collisions A+A Gain Calibration Alignement Lorentz Effect Signal Physique Pistes Amas de charge Points d’impacts Cluster Matcher Trajectographe ITTF DAQ de STAR DAQ du SSD Cluster Finder vers Analyse en ligne Analyse hors ligne Soustraction des piédestaux

16 16/43 b.1 Piédestal et bruit Réponse à «vide» du détecteur Acquisition sans collisions Piédestal = moyenne du «signal» Bruit = écart-type associé PiPi bibi

17 17/43 b.2 Taux de pistes bruyantes et Stabilité ~4 ADC Le pourcentage de pistes dont le bruit est > 8 ADC est de l’ordre de 5 % Piédestal 16 x Bruit

18 18/43 c. Reconstruction des amas de charge Un amas de charge est un groupement de pistes d’indices consécutifs dont le signal est induit par le passage d’une particule. Sélection de la piste centrale avec une coupure en signal sur bruit (s/b) Taille de l’amas N : nombre de pistes d’indices consécutifs Charge et bruit total de l’amas Signal sur bruit de l’amas : Signal sur bruit Indices de pistes s/b >5

19 19/43 c.1 Environnement peu dense en particules 1p 1n 95  m Résolution digitale :

20 20/43 c.2 Environnement dense en particules 1n 1p 95  m 2p 2n

21 21/43 c.3 Résoudre les ambiguïtés Les pistes sont inclinées d’un angle  afin de réduire le recouvrement. Dans le SSD de STAR, la valeur de  a été suivant un compromis entre la dégradation des résolutions (selon  r/  et  z ) et le nombre d’ambiguïtés.  = 35 mrad  recouvrement = 15 pistes permet de reconstruire 90 % des cas.  = 35 mrad

22 22/43 Type de points d’impacts reconstruits Type0 %89.7 Association géométrique des amas de charge 8 hits /détecteur = limite supérieure Majorité de cas non ambigus Ambiguïté croissante Exemple 1-1: un amas sur une face du détecteur associé avec un seul amas sur l’autre face du détecteur

23 23/43 d.2 Coupures appliquées Pistes Amas de charge Points d’impacts Cluster Matcher Cluster Finder Coupure sur le bruit des pistes avant de former les listes : s > 3 * b  Corrections des amas de charge dont la taille reconstruite est anormalement élevée. Coupure sur le signal sur bruit des pistes voisines à la piste centrale de l’amas s/b Pas de coupure sur les pistes voisines

24 24/43 d.2 Effets de la coupure Le signal «physique» n’est pas supprimé La taille des amas de charge diminue avec la coupure Diminution des points d’impacts ambigus

25 25/43 e. Différentes énergies Pas de différence notables entre les 2 énergies de collisions pour les caractéristiques des amas des charge. Plus de points d’impacts du à l’association de plusieurs Amas de charge = environnement plus dense en particules pour les collisions à 200 GeV

26 26/43 f.1 Calibrage des charges  La même quantité de charge sur les 2 faces est attendue pour des MIP. Charge N vs charge P Non corrigé  Valeurs déduites en injectant une impulsion interne fixe dans un nombre de canaux Correction du gain relatif entre les signaux des faces P et celui des faces N

27 27/43 f.2 Résultats Corrélation: charges lues sur la face N en fonction des charges lues sur la face P Déviation : différence des charges lues sur la face N avec les charges lues sur la face P Pas de calibrage Calibrage

28 28/43 g.1 Effet de la force de Lorentz Observation : décalage dans la direction Z des résidus selon l’orientation du champ magnétique Résidus = position(trace) - position (hit associé) de l’ordre de 200  m entre 2 orientations opposées du champ magnétique Force de Lorentz : les trajectoires des électrons et trous sont modifiées par la force de Lorentz (combinaison du champ magnétique de l’aimant de STAR avec le champ électrique régnant au sein des détecteurs en silicium) B = - 0.5T B = 0.5T Trajectoire modifié par le champ magnétique

29 29/43 g.2 Prise en compte de l’effet de Lorentz Valeurs des angles de déviations associés aux électrons e - et aux trous e +  L = 21° pour e + et  L =8° pour les électrons [1] (à T =280 K et V bias = 40 V) normalisées à STAR. Augmentation de l’efficacité car l’association de la trace avec le point du SSD est améliorée. [1]:physics/  x = 12  m pour les trous  x= 4,2  m les électrons  e + = 4.4   e - = 1.6 

30 30/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

31 31/43 a.1 Efficacité de trajectographie Projection de la trace sur le SSD lors du track finding/fitting k points candidats et n points ajustés sont associés à chaque trace. L’efficacité est définie comme une distribution binomiale entre le nombre de traces ayant un nombre de points candidats = nombre de points ajustés x x x Trace provenant de la TPC # Toutes les traces À l’intérieur du SSD  = Traces avec SSD x Efficacité B

32 32/43 a.2 DétecteurPoints d’impacts SiEfficacité SSD154.4 SVT SSD+SVT Efficacité en fonction de l’impulsion P des traces primaires

33 33/43 b. Distance de Plus Courte Approche Distance minimale séparant la trace du vertex primaire d’interaction Critère de qualité pour évaluer la précision du SVT+SSD : résolution sur la DCA Contributions : a.  vertex ~ 600  m/√(Nombre de traces) b.  tracking ~ 2 *  XY (  XY : résolution intrinsèque du détecteur) c.Diffusion multiple coulombienne (MCS): f(x/X 0,1/P) En 1 ière approximation, MCS ~ 140  m/ P(GeV/c)  2 =  2 vertex +  2 tracking +  2 MCS [1] Condition :  tracking ~ MCS à 1GeV  0 = 00 x De [1] :  XY < 80  m  Z < 80  m

34 34/43 c. Résultats  DCA à 1 GeV  xy (  m)  Z (  m) TPC SSD SSD+SVT Résolutions sur les DCA évaluées comme la déviation standard de la distribution des DCA TPC TPC+SSD TPC+SSD+SVT (  m) a Selon xy183 Selon z120

35 35/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

36 36/43 V Code de simulation Réécriture du code pour unification avec la chaîne de reconstruction des données réelles : –Pour comprendre les différences entre la simulation et les données réelles –3 types de simulations : Détecteur parfait Détecteur réaliste Détecteur bruyant –Futur : embedding avec le SSD. Développement d’un simulateur rapide : test de l’acceptance géométrique

37 37/43 a. Données intrinsèques Différence avec les données réelles dans la taille des amas dû à la limitation dans la simulation sur la taille des amas. Signal sur bruit Taille des amas

38 38/43 b. Influence du bruit sur l’efficacité de trajectographie Bruit parfait : efficacité plate Bruit réel : disparités dues aux différences de bruit des échelles Bruit élevé : efficacité plate mais plus basse Efficacité en fonction de l’impulsion Efficacité en fonction de l’angle azimutal Type de bruit des pistesparfaitréelélevé Efficacité intégrée (%)

39 39/43 Sommaire I. Motivation II. Complexe expérimental III. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. Simulation VI. Reconstruction des particules étranges VII. Conclusions et perspectives

40 40/43 VI Reconstruction des particules étranges Vertex secondaires Type V0 Type Cascade

41 41/43 a. Masse invariante K S 0  +  - Nombre de points d’impacts dans les détecteurs de vertex 01 (SSD seul) >1 Signal sur bruit3916 Pas de points d’impacts dans le SVT et SSD Points d’impacts dans le SSD seul Points d’impacts dans le SSD et le SVT

42 42/43 VII. Conclusions L’analyse des données du SSD seul en accord avec les tests faisceaux. Calibration à faire chaque année : –Piédestaux en base de données –Calibration en charges –Alignement Les 1 ières analyses montrent l’impact du SSD (et SVT) sur les données physiques Effet de Lorentz : implémenter pour la 1 ière fois. À étudier : déplacement de bruit commun Chaîne de reconstruction pour les données simulées et les données réelles (embedding) : pour corriger les données physiques. Influence des valeurs de bruits sur l’efficacité de reconstruction Simulateur rapide : dans le logiciel de STAR SSD (et SVT) présents lors du run VII Mise en place d’histogrammes de contrôle (QA) en ligne Analyse des données.

43 43/43 VIII. Perspectives Futur proche : –SVT retiré de STAR définitivement –SSD retiré de STAR pour les 2 prochaines années Futur +/- proche (2010) : ré introduction pour le futur détecteur de vertex de STAR (Heavy Flavor Tracker)

44 44/43 Merci de votre attention

45 45/43 c.2 Mesure directe : D 0 K  Identification des K +/- et des  +/- avec la TPC Mesure de la masse invariante Soustraction du bruit de fond (mixage d’évènements ou rotationnel) Distribution en p T des D 0 et des électrons non photoniques Ajustement additionnel Avant Après bckgd soustraction nucl-ex/

46 46/43 c.1 Électrons non photoniques Identification des électrons grâce à leur perte d’énergie dans la TPC et les calorimètres. Bruit de fond par mesure de la masse invariante e + e - Mesure du R AA = dN AA /(T AA* N pp ) Supression plus importante des électrons non photoniques pour les collisionds les plus centrales : –Perte d’énergie élevée des quarks lourds dans le milieu.

47 47/43 Collisions de protons polarisés

48 48/43 Comparatif SPS/RHIC/LHC Collisions centrales Pb-Pb (ou Au-Au ) √S NN (GeV) dN/dy  0 (fm/c)  (à 1fm/c) (GeV/fm 3 ) [1]  PQG (fm/c)  f (fm/c) SPS <210 RHIC LHC > Schukraft, Nucl. Phys. A698 (2002) 287. [1] :

49 49/43 e.1 Une Échelle

50 50/43 e.2 Conception d’un Module 768 Pistes en Si de 15  m espacées de 95  m sur chaque face 300  m d’épaisseur Angle stéréoscopique 15 mrad Tension de déplétion ~ 50 V Circuit électronique A128C : faible consommation, faible bruit Connexion par ruban TAB

51 51/43 Refroidissement par air

52 52/43 Installation dans STAR é chelle10 é chelles20 é chelles

53 53/43 e.3 Méthode

54 54/43 Alignement Afin d’atteindre l’objectif sur la précision de la DCA des traces un alignement précis de l’ensemble (TPC+SSD+SVT) est requis Méthode [1]: Alignement global et local utilise les résidus : X G,L hit - X G,L trace et un vecteur de 6 paramètres définissant le désalignement (3 rotations+translations) Résultats : réévaluation des erreurs associées aux points d’impacts Résolutions du SVT :  XY = /- 5  m  Z = 30 +/- 7  m Résolutions du SSD:  XY = 30 +/- 7  m  Z = 742 +/- 41  m [1]:Margetis et all,Alignment experience in STAR. LHC detector alignment workshop,2006

55 55/43 Cas des traces inclinées   Pistes de lecture Face P Face N VBias E

56 56/43 Perte d’énergie La taille de amas de charge augmente pour les faibles p T. La perte d’énergie associées aux points d’impacts augmente pour les faibles p T. Possible contribution du point du SSD au dEdx de la trace calculée par la TPC.

57 57/43 Simulateur rapide Inactive Triangle area Efficacité en fonction de l’impulsion Efficacité en fonction de l’angle azimutal

58 58/43 b. Masse invariante  -  - pp Pas de points d’impacts dans le SVT et SSD Point d’impact dans le SSD

59 59/43 essais

60 60/43 VI Reconstruction des particules étranges particule fille positive particule fille négative Longueur de décroissance du K S 0,  Vertex primaire particule fille positive particule fille négative Longueur de décroissance du V0 Vertex primaire Longueur de décroissance du ,  bachelor

61 61/43 I. Motivation QGP Mesure des saveurs lourdes : bonne signature car production juste après la collision Mesure du charme ouvert pour séparer contribution quarks b et c Direct topological identification : difficile car c  petit

62 62/43 a. Le Plasma de Quarks et de Gluons État dans lequel les quarks et les gluons, constituants de la matière nucléaire sont déconfinés. Aurait existé lors des 1 iers instants de l’Univers Existerait actuellement sous des formes difficilement accessibles expérimentalement : les étoiles à neutrons

63 63/43 II. Expérience Relativistic Heavy Ion Collider Solenoid Tracker At RHIC Silicon Vertex Tracker Silicon Strip Detector : –Motivation –Composantes –Intégration

64 64/43 d. Silicon Strip Detector Détecteur en silicium double face à micropistes Les électrons et les trous sont collectés sur des pistes en silicium sur chaque face du détecteur Couche placée à 23 cm 20 échelles de 16 modules 0.5 Millions de canaux S~1 m 2 Dimension d’un module 73 x 42 mm 2 Résolutions spatiales  r/  = 25  m  z = 800  m Longueur de radiation : 1.1%X 0

65 65/43 d.1 Points d’impacts reconstruits Type X hits /détecteur = limite supérieure Majorité de cas non ambigus  environnement en amas diminue

66 66/43 c.3 Résoudre les ambiguïtés Les pistes sont inclinées d’un angle  afin de réduire le recouvrement. Dans le SSD de STAR, la valeur de  a été suivant un compromis entre la dégradation des résolutions (selon  r/  et  z ) et le nombre d’ambiguïtés.  = 35 mrad  recouvrement = 15 pistes permet de reconstruire 90 % des cas. Choix du couple de points (A,C) ou (B,D) le plus probable : calcul de la distance de chaque point avec la droite de corrélation parfaite. p(1) = p(A) * p(C) p(2) = p(B) *p(D)  = 35 mrad


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