Etude de la polarisation du J/ en collision proton-proton dans le détecteur PHENIX Stage de fin dannée - M2 Recherche : Physique Subatomique Université Blaise-Pascal Vincent RASPALResponsable de stage : Philippe ROSNET

2 Motivations théoriques –Quest-ce que le J/ et pourquoi sy intéresser ? –Quelles informations tirer dune désintégration ? Le détecteur PHENIX Traitement des données de PHENIX –Le spectre en masse invariante des dimuons –Les différentes voies envisagées pour résoudre le problème –Les résultats obtenus Conclusion et perpectives Déroulement de la présentation

3 Motivations théoriques –Quest-ce que le J/ et pourquoi sy intéresser ? –Quelles informations tirer dune désintégration ? Le détecteur PHENIX Traitement des données de PHENIX –Le spectre en masse invariante des dimuons –Les différentes voies envisagées pour résoudre le problème –Les résultats obtenus Conclusion et perpectives Déroulement de la présentation

4 Le méson J/ est un état lié de la famille des charmonia, formé dun quark et de lantiquark noté : Cest une particule lourde, donc des hautes énergies sont nécessaires pour quil se forme Sa durée de vie est très faible ( s). Masse : m J/ 3.1 GeV/c² J/ hadrons / e + e - / µ + µ - ~88% ~6% ~6% Pour de la matière nucléaire à très haute densité dénergie, il y apparition dun nouvel état : le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP) Le QGP aurait été létat de la matière quelques microsecondes après le Big Bang Le QGP est caractérisé par une annulation de lintéraction forte ou force de couleur (qui lie les quarks entre eux) Lors de la formation dun QGP, lécrantage de la force de couleur empêcherait la formation du J/ (selon certains modèles) : le J/ deviendrait une signature du QGP Doù lintérêt dune étude du J/ (produit en collision proton-proton) et notamment de sa polarisation Quest-ce que le J/ et pourquoi sy intéresser ? On sintéresse à ce canal Motivations théoriques

5 Le J/ est une particule de spin S = 1 Désintégration possible en dileptons : e + e - ou µ + µ -, particules de spin S=1/2 Dans le référentiel du centre de masse du J/ : Les 2 particules produites ont des impulsions opposées. La distribution spatiale de la désintégration est définie par 2 angles : et Quelles informations tirer dune désintégration ?

6 Létude de la cinématique de désintégration conduit à la distribution angulaire suivante : Soit, après intégration sur : Motivations théoriques Quelles informations tirer dune désintégration ? est directement lié à la polarisation du J/ : la détermination expérimentale de cette distribution angulaire doit permettre de remonter à la valeur de. = -1 : polarisation transversale = 0 : polarisation nulle = +1 : polarisation longitudinale [-1:1]

7 Motivations théoriques Quelles informations tirer dune désintégration ?

8 Motivations théoriques –Quest-ce que le J/ et pourquoi sy intéresser ? –Quelles informations tirer dune désintégration ? Le détecteur PHENIX Traitement des données de PHENIX –Le spectre en masse invariante des dimuons –Les différentes voies envisagées pour résoudre le problème –Les résultats obtenus Conclusion et perpectives Déroulement de la présentation

9 Le détecteur PHENIX PHENIX fait partie du collisionneur RHIC situé au Brookhaven National Laboratory, mis en service en 2000 RHIC : 2 anneaux et 6 points dintersection (chaque point dintersection est susceptible daccueillir un détecteur et une expérience : PHENIX est lune dentre elles) 2 types de collisions : –ions lourds (Au, Cu) –Protons Plusieurs détecteurs : –Pour les électrons, hadrons, photons –Pour les muons

10 Le détecteur PHENIX pp µ+µ+ µ-µ-

11 Motivations théoriques –Quest-ce que le J/ et pourquoi sy intéresser ? –Quelles informations tirer dune désintégration ? Le détecteur PHENIX Traitement des données de PHENIX –Le spectre en masse invariante des dimuons –Les différentes voies envisagées pour résoudre le problème –Les résultats obtenus Conclusion et perpectives Déroulement de la présentation

12 Traitement des données de PHENIX La masse invariante M du dimuon est donnée par : Pour chaque dimuon µ + µ -, la masse invariante est calculée et lhistogramme est tracé à laide de loutil danalyse ROOT : Le spectre en masse invariante des dimuons Quadrivecteurs des deux muonsMasses au repos des muons : MeV/c²

13 Traitement des données de PHENIX Le spectre en masse invariante des dimuons J/ Données proton-proton (bras nord) du Run 6

14 Traitement des données de PHENIX La distribution en cos Passage du référentiel du laboratoire au référentiel du centre de masse : 1.Laxe (Oz) est amené selon limpulsion du J/ par deux rotations successives 2.Une transformation de Lorentz permet daccéder au référentiel du centre de masse du J/ Problème 1 : Quantité et forme du bruit de fond ? Problème 2 : Evaluer les effets dacceptance du détecteur

15 Traitement des données de PHENIX Estimation de la quantité de bruit de fond Réalisation dun ajustement de lhistogramme par des fonctions analytiques : F TOT = G1 + G2 + G3 + exp F BKG = G2 + G3 + exp Quantité de bruit de fond Quantité de J/

16 Traitement des données de PHENIX Estimation de la forme du bruit de fond Poids statistique : 50% H BKG

17 Traitement des données de PHENIX Estimation du J/ sans bruit de fond - = H J/ H BKG

18 Traitement des données de PHENIX Problème dacceptance du J/ Utilisation du logiciel Pythia Simulation de production de J/ lors de collisions p-p dénergie 200 GeV Introduction de paramètres dacceptance : Impulsion de chaque muon < 2 GeV/c² angle entre les deux muons > 19° Pseudo-rapidité de chaque muon : 1.2 < | | < 2.2 PROBLÈME : La représentation obtenue nest pas encore vraiment représentative de la réalité. Utilisation de PISA (simulation de lensemble de la chaîne de mesure et de reconstruction). Trop couteux en temps Idée abandonnée

19 La distribution du J/ mesurée doit pouvoir être modélisée par : H J/ = C te × h accept × h pol Donc on a : h pol = H J/ / (h accept × C te ) h pol = h J/ / h accept. Hypothèse : les effets dacceptance sur le bruit de fond et sur le J/ sont identiques donc h accept = h BKG h pol = h J/ / h BKG Lajustement de h pol permettra de remonter à la valeur de Traitement des données de PHENIX Estimation des effets dacceptance du détecteur sur le J/ ajustable par (1 + cos² )

20 Traitement des données de PHENIX Résultats obtenus h J/ h BKG = = ± Incertitude statistique ne se situe pas dans lintervalle [-1; 1] autorisé, même en considérant lincertitude statistique Que vaut lincertitude systématique ? Ajustement par : 1 + cos²

21 Traitement des données de PHENIX Résultats obtenus Poids statistique : 100% Poids statistique : 0% Poids statistique : 100% Poids statistique : 0% = = = ± ± Incertitude statistique Incertitude systématique (une partie)

22 Motivations théoriques –Quest-ce que le J/ et pourquoi sy intéresser ? –Quelles informations tirer dune désintégration ? Le détecteur PHENIX Traitement des données de PHENIX –Le spectre en masse invariante des dimuons –Les différentes voies envisagées pour résoudre le problème –Les résultats obtenus Conclusion et perpectives Déroulement de la présentation

23 La valeur de nest pas comprise dans la fourchette attendue, malgré la prise en compte des deux types dincertitudes Il doit y avoir des biais dans la méthode : mauvaise prise en compte des caractéristiques du détecteur et de son acceptance Pistes à suivre : injecter dans le logiciel PISA les données Pythia afin de simuler intégralement le détecteur PHENIX et ainsi évaluer ses effets dacceptance sur le J/ Évaluer les effets de polarisation du dans la soustraction du bruit de fond Conclusion et perspectives

Merci de votre attention

26 Traitement des données de PHENIX Les différentes voies envisagées pour la résolution du problème Idée n°1 : découper le spectre en masse invariante en 6 sections réaliser la distribution en cos de toutes ces sections ajuster ces distributions par une fonction à 1 paramètre caractéristique Interpoler la valeur de ce paramètre pour la section en masse invariante du J/ Fonction choisie : gaussienne Paramètre : PROBLÈME les deux dernières sections se trouvent mal ajustées Idée abandonnée