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Le charme dans l’ expérience Compressed Baryonic Matter C.Dritsa IPHC Strasbourg / GSI Darmstadt Directeurs de thèse: RAMI Fouad (IPHC) / SENGER Peter.

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1 Le charme dans l’ expérience Compressed Baryonic Matter C.Dritsa IPHC Strasbourg / GSI Darmstadt Directeurs de thèse: RAMI Fouad (IPHC) / SENGER Peter (GSI) Plan Motivations Défit de CBM Stratégie Résultats Résumé et Conclusions

2 Motivations Physiques

3 Objectifs de l’expérience CBM  Transition de phase  QGP Propriétés de l’interaction forte.  Propriétés des hadrons dans la matière à haute ρ B Restauration de la symétrie chirale. Deux objectifs principaux Expérience planifiée auprès du futur accélérateur FAIR ( GSI-Darmstadt ), cible fixe Domaine d´énergie de FAIR pour les IL : 2-40 AGeV. Démarrage ~2015 Exploration du diagramme de phases QCD dans la région des hautes ρ B –température modérée CBM = Compressed Baryonic Matter FAIR

4  Particules contenant un quark charmé (lourd)  Produit dans les premiers instants de la collision  Taux de production très sensible aux effets de haute densité surtout aux énergies du seuil de production  Sonde pour étudier les modifications des propriétés des hadrons dans un milieu dense. Une des observables pour CBM Une des observables les plus intéressantes dans CBM est le charme ouvert Prédiction d’un modèle de transport FAIR SIS 18 GSI présent Multiplicité par collision Energie du faisceau [AGeV]

5  Seuil de production du charme ~ 1 D 0 -> π + K - par coll.centr. Défit de CBM pour la mesure du charme Il est nécessaire de construire un détecteur capable de répondre aux exigences Prédiction d’un modèle de transport FAIR SIS 18 GSI présent Multiplicité par collision Energie du faisceau [AGeV] Très difficile à mesurer dans les collisions A-A, en particulier aux énergies FAIR car on est au seuil de production. Reconstruire un signal rare dans un environnement de haut b.f.c !  Haute multiplicité des part. chargées ~ 1000 par collision centrale

6 La Manip

7  Trajectomètre : STS dans un champ magnétique. Plans de pixels et strips. Reconstruction de trajectoires de particules Trajectomètre STS composé de : ~10 plans des détecteurs en Silicium Plans 1 – 2 : Détecteur de pixels (Détecteur de vertex) Plans 3 – 10 : Détecteur micro-piste Le détecteur CBM  Identification des électrons : Suppression des pions RICH & TRD & ECAL  Identification des hadrons : ToF – (RPC)  Mesure des photons, π, η : ECAL (Cal. électromagnétique) Aimant STS Cible + STS RICH TRDs ToF – (RPC) ECal

8 Vertex primaire Vertex secondaire Detecteur1 Detecteur2 Cible (Au) z On a besoin de détecteurs avec 1)Excellente résolution spatiale 2) Très faible épaisseur (diffusion multiple) 3) Bonne résistance aux radiations ~10 13 n eq /cm² Détection des mésons charmés D 0 (cū), c  = 123  m D 0  K -  + (BR =0.0383) 0 Détecteur de vertex proposé : Capteurs CMOS Monolithic Active Pixel Sensor: Résolution spatiale: ~ 3  m Epaisseur : ~ 0.2 % X 0 ( ~ 200  m Si eq.) Radio résistance: ~10 13 n eq /cm² ( durée de vie ) ( coll. IPHC/Francfort )

9 Etapes de simulation et résultats

10 Etapes de simulation des mésons charmés Etude de faisabilité pour différents configurations du détecteur de vertex en prenant en compte: Position,taille, épaisseur des plans, résolution intrinsèque et tenue aux radiations. A travers des études de simulation on veut assurer qu’on peut détecter le signal de mésons charmés et que le nombre de D 0 qu’on mesure est suffisant pour faire des études supplémentaires. 2. Transport (Geant 3) Simuler interaction avec la matière 4. Reconstruction et ajustement des traces Analyse: Reconstruction candidats D 0 1. Générer le BdF et le signal 3. Simulation du détecteur (« smearing » gaussien) 3 plans, 200μm épais, 3μm resol. Description simplifiée de différents étapes de la simulation

11 Identification des D 0 avec spectre de masse invariante Bruit de fond ??? Entrées [1/10 MeV] Masse invariante [GeV / c²] (Masse des candidats D 0 reconstruites ) Bruit de fond trop élevé pour extraire le signal ! D 0 K + π +

12 SvZ-cut and SvChi-cut PV-cut IPD 0 -cut IP-cut D0D0 Critères pour traces isolées D0D0 Target plane D0D0 D0D0 SvChi-cut: Distance minimum entre les 2 trajectoires. La trajectoire reconstruite de D 0 ne doit pas entrecroiser le point d’interaction Il faut que les deux traces ne s‘entrecroisent pas avec le point d‘interaction Les traces en dehors du rayon du paramètre d’impact sont rejetés SvZ-cut: Vertex sec. situé très proche au point de collision est rejeté π+π+ K-K- Critères pour paire de traces

13 … Fluctuations simulées avec un générateur aléatoire Masse invariante [GeV / c²] Entrées [ 1 / 10 MeV ] Rejet idéal des protons Résultat final pour une géométrie donnée SNR = 96 S/B = 0.73 D 0 K + π D 0 / durée de vie du det. Efficacité de rec: 4.0 % 3 plans, 200μm épais, 3μm resol.

14 Résumé et Conclusion Motivation: Etude du diagramme de phases de la matière nucléaire. Expérience CBM explore le région de haute densité baryonique et faible T * Etude de simulation pour évaluer les performances du détecteur pour la reconstruction des mésons charmés. * Difficulté d’extraire un signal rare dans un environnement de haut b.f.c. * Introduire plusieurs critères de sélection Résultats Efficacité de reconstruction pendant la durée de vie du détecteur ~ S/B = 0.73 ~ D0 / durée de vie du détecteur Ce qui reste a faire: Faire des simulations plus réalistes->Réponse réaliste du détecteur Déterminer les caractéristiques optimaux des capteurs CMOS pour nos mesures (taille de pixels, vitesse de lecture…) Il semble que l’étude des propriétés du QGP avec les mésons charmés est possible avec CBM et le nombre de D 0 qu’on obtient est suffisant pour des études détaillées des mésons charmés. Conclusion:

15

16 Back-up slides

17 Diagramme de phases: matière normale et matière nucléaire FAIR 3 phases: solide, liquide, gazeuse 1 er ordre de transition: coexistence de phases transition brut Point critique 2 nd ordre de transition: pas de coexistence transition continue Equation d’état: L’ équation mathématique décrivant le diagramme de phases. Quelle est l’équation d’état de la matière nucléaire?

18 Pourquoi étudier diagramme de phases? L’étude du diagramme de phases de la matière nucléaire en haute T et densité va nous aider à comprendre:  Qu’est-ce qui c’est passé pendant les toutes premiers instants de l’univers ( Haute T, Basse Pression)  Quelle est la structure des objet astrophysiques (étoiles de neutrons, supernovae) ( Basse T, Haute Pression ) FAIR

19 Comment créer des conditions de haute T, p au laboratoire? Au laboratoire on atteint les conditions de haute T et p avec des collisions d’ions lourds. On atteint ainsi des T supérieures à 100 MeV. On modélise le noyau avec une goutte liquide: Haute T, p : noyaux s’évaporent et forment un gaz des hadrons. Très Haute T, p : les constituants des nucléons, les quarks, se trouvent déconfinés dans un potentiel commun: Production du Quark-Gluon Plasma (QGP) Collision de deux noyaux QGP ρ 0 = 0.17 nucléons/fm 3 ( 2.7x10 17 kg/m 3 ) ρ c ≈ 8∙ρ 0 ( 21.6x10 17 kg/m 3 )

20 Monolithic Active Pixel Sensors: Principe de fonctionnement QGP

21 Diagramme de phases de la matière nucléaire FAIR RHIC et LHC explorent la région de hautes T et basses densités ou la transition de phase est continue (cross-over). FAIR, en complémentarité avec RHIC-LHC, va explorer la région de basses T et hautes densités.

22 Identification des D 0 avec spectre de masse invariante Bruit de fond Entrées [1/10 MeV] Masse invariante [GeV / c²] (Masse des candidats D 0 reconstruites ) Bruit de fond trop élevé pour extraire le signal ! D 0 K + π +

23 Etude Systématique de la résolution du vertex secondaire Cette étude illustre la nécessité d’utiliser des det. très performants comme les CMOS Pixels Hybrids Capteurs CMOS Vtx_z (reco) – Vtx_z (MC) Vtx_z = composante du vtx selon direction du faisceau


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