Journées Jeunes Chercheurs (2008) St Flour Etude des processus durs dans les collisions p-p avec ALICE- EMCal: Identification des photons Journées Jeunes Chercheurs (2008) St Flour Raphaelle Ichou 5 Decembre 2008

Introduction ALICE : Collisions d’ions lourds ultra-relativistes -> recréer et étudier cet état de la matière de PQG (Plasma de Quarks et de Gluons) Les photons : une bonne observable du PQG : particules électromagnétiques, n’interagissent pas dans ce milieu -> témoins directs des propriétés de la matière lors de la collision. Le détecteur EMCal (Electro Magnetic Calorimeter) -> mesurer ces photons jusqu’à de grandes énergies.

Plan Motivations physiques Le jet-quenching Jet-quenching et sonde Gamma-Jet Les sources de photons Un calorimètre de grande acceptance dans l’experience ALICE Le design d’EMCal Calendrier et tests sous faisceau Analyse des distributions en impulsion L’identification des photons avec EMCal Jets et photons Discrimination -π0 Isolement des photons prompts Travail en cours

Motivations physiques

Le Jet quenching Jet jet-quenching @ RHIC s = 200A GeV Aux premiers instants de la collision: Production de partons de haute énergie et de jets. Dans un milieu a haute température et densité (PQG): perte d’énergie des partons par rayonnement de gluons. Répercussion dans l’état final hadronique: Augmentation du nombre de particules et de partons. -> Déficit de particules à grand pT et augmentation de particules à petit pT. Milieu dense jet-quenching @ RHIC s = 200A GeV RAB < 1 → suppression de la production de hadrons en AuAu Pas de suppression pour les photons directs !

Jet quenching et sonde Gamma-Jet Mesure du Jet-quenching via la production de jets: Mesure indirecte: Trouver le jet via des particules qui n’intéragissent pas (): Sonde Gamma-jet: Ejet = E Modifications du milieu: identifiées par la redistribution de l’énergie du jet parmi ses constituants (fonction de fragmentation)  Collisions A+A : sonde du PQG: Gamma : traverse le milieu sans interagir Parton (jet) : subit perte d’énergie par rayonnement des gluons Collisions p+p : référence en l’absence de milieu : Gamma et parton pas modifiés -> Comparaison A+A et p+p fournit des informations sur les propriétés thermodynamiques du PQG -> Les photons: Une piste interéssante pour l’étude du PQG 

Les sources de photons 0 2  Prompts : Décroissance du 0 (ou du ) Fragmentation Décroissance du 0 (ou du ) 0 2  g+q  +q (Compton) q+q  +g (Annihilation) non affectés par le milieu indirectement sensibles au milieu

Un calorimètre de grande acceptance : EMCal

1 Super Module= 24 Strip Modules Le design d’EMCal 1 Super Module= 24 Strip Modules 11 Super Modules 2 SM par secteur 20o 1 Strip Module= 12 Modules Acceptance : Dh = 1.4 DF = 110o 1 Module= 4 tours

Calendrier et tests sous faisceau EMCal est une collaboration USA-EU (France-Italie) EMCAL étend de façon significative les performances d’ALICE pour les mesures de jet quenching et de photons en collision d’ions lourds EMCAL dans ALICE : run de 2009 (p-p @LHC) → 2 SuperModules (SM) : premiers résultats physiques run de 2010 (Pb-Pb haute luminosité@LHC) run de 2011 : 11 SM Tests sur faisceau : Septembre-Octobre 2007 @ CERN prototype final Objectifs : calibration, résolution en énergie, position, linéarité et uniformité de la réponse en énergie Test de 4x4 modules (8x8 tours): 8 modules européens 8 modules américains Faisceaux d’électrons et de hadrons de 0.5 à 100 GeV/c au SPS et PS Dynamique en énergie : High Gain : 16 MeV à 16 GeV Low Gain : 250 MeV à 250 GeV

Analyse des distributions en impulsion tmax t0  signal Fit A Fit du “pulse shape”: 5 paramètres: (P, A, tmax, , N) La Qualité du fit: Q: Bonne qualité mais peut être ameliorée en utilisant un intervalle de fit restreint: à 30% A P 30%

Analyse des distributions en impulsion Cas du canal saturé (ADC=1023) en high gain: Amplitude high gain vs low gain: A partir de quelle amplitude doit on utiliser le low gain au lieu du high gain? Points ou ADC >1000 pas pris en compte dans le fit Correlation High-Low gain: Meilleure corrélation obtenue en supprimant du fit les points ou ADC >= 1023. Conclusions: Modifications apportées a AliRoot: Intervalle de fit: max a 30% de A Points ou ADC >1000 pas pris en compte dans le fit

Identification des photons avec EMCal

Jets et photons g p0 Jet Prompt g Jet Signal: Photons prompts censés etre isolés Bruit de fond: Autres photons (la plupart de conversion, de fragmentation, de décroissance du π0) = jet-jet Gamma-Jet Jet Prompt g p0 g Fragmentation g -> Identification des photons après l'intéraction: Connaître leur origine : prompts ? de fragmentation ? du π0 ? Jet-Jet Simulation: avec AliRoot: ALICE off-line framework basée sur un environnement Root C++ (reconstruction et analyse des données des simulations ou des mesures) PYTHIA: générateur d’évènements au LO (Leading Order) de pQCD -> Gamma-Jet et Jet-Jet Jet

Section efficace…au LHC 15 counts 35 g/p0 = 0,01-0,1 Photon Yellow Report hep-ph/0311131

Discrimination -0 π0   Cluster in EMCal higher energy ° A tower  π0   Cluster in EMCal higher energy °  Gustavo Conesa, thesis : University of Nantes and University of Valencia, 2005 ALICE-INT-2005-053 A tower

Discrimination -0 pT< ~ 8 GeV/c 8 ~ < pT< ~ 30 GeV/c 3 regions d’analyse: pT< ~ 8 GeV/c 8 ~ < pT< ~ 30 GeV/c 40 GeV/c ~ < pT Clusters confondus Forme de gerbe asymetrique analyse de la forme de la gerbe (PID) clusters séparés analyse de masse invariante Clusters confondus Forme de gerbe symetrique: Angle d’ouverture << 1 tour  Méthode d’isolement dans un cône π0   π0  

Methode d’isolement des  But: Identifier les photons prompts et soustraire les photons du “bruit de fond” Cône autour d'un photon candidat de rayon R(C,C) Photon candidat : ||< 0.7 (acceptance EMCal) E photon candidat > 15 GeV Photon candidat isolé : Taille du cone: R cone = [ 0.2- 0.5] pT seuil: Aucun hadron de pT > pT seuil trouve dans le cone (ICM) La somme des pT de tous les hadrons dans le cone < pT seuil (ICMs) La somme des pT de tous les hadrons dans le cone < fraction du pT du photon candidat   R IP  candidat

Isolement des -résultats Gamma-Jet generation : PYTHIA pp@ √s = 14 TeV 5000 évènements [0-50] GeV/c simulés dans EMCal par bins de 10 GeV/c De même pour le spectre en impulsion des photons isolés

Isolement des -résultats Efficacité = Nbre photons isolés /Nbre photons candidats Résultats d’une étude préliminaire à tester également en jet-jet et dans des conditions plus réalistes

Travail en cours Identification des photons prompts avec la frame work d’analyse : Data AliAnalysisTaskSE AliAnaMaker AliAnaNNN derives from AliAnaBaseClass AliAODCaloTrackReader ESD, AOD, MC AliAnalisisTaskParticleCorrelation AliAnaYYY aodEMCal, aodPHOS, aodCTS aodParticleCorr AliAnaXXX … Output: AliAODParticleCorrelatio AliAODCaloClusters Histograms Classe pour lire les ESD, AOD ou MC: AliCaloTrackReader Classe pour connecter analyse et données (ESD/AOD/MC) : AliAnaPartCorrMaker Classe d'analyse : AliAnaPhoton.cxx Modules externes appelés par la classe d'analyse: AliAnaParticleIsolation.cxx …

Travail en cours Développement de la classe AliAnaPi0EbE.cxx Etude modèles-indépendants (sans utiliser les MC), évènement par évènement, des photons du 0 trouvés isolés (contamination). Méthode : Si un cluster photon de haut pt (candidat) est trouvé dans EMCal, on cherche son partenaire et calcul de la masse invariante (ou Shower Shape). Si masse invariante du 0 : Photon du 0 et étude de son isolement. ->Soustraire la proportion de photons isolés qui ne sont pas prompts Perspectives : Classe AliAnaPi0EbE à tester au niveau MC et ESD : pour les Gamma-Jet et Jet-Jet avec les differentes méthodes d’analyse.

Conclusion et perspectives Les photons : outil essentiel pour caractériser la matière nucléaire à l’état de plasma Importance et performances du détecteur de photons : EMCal en construction et importance de réaliser au préalable des tests sous faisceau : calibration Identifier et sélectionner les photons “intéressants” à notre étude parmi le bruit de fond important en collisions d’ions lourds. Développer des algorithmes de simulation et reconstruction performants et adaptés à la prise de données (Etude modèles-indépendants) Perspectives: Run de 2009 : obtenir les premiers spectres de photons et d’efficacité d’isolement avec les premières données. Perspectives plus personnelles: Utilisation du programme JETPHOX: spécialement adapté pour calculer des sections efficaces de photons prompts isolés dans les collisions hadron-hadron à NLO.

Back up slides

Fit

Section efficace…au RHIC Données accessibles pour la production de photons directs isolés en p-p NLO pQCD xT=2pt/√s P. Aurenche et al., Phys.Rev.D73:094007, 2006 Bon accord données/théorie

Annual yields in ALICE

Gamma-Jet et jet-quenching 180° EMCal Axe faisceaux TPC

Photon Conversion → 45% of photons convert into TRD and TOF Other sources of background: photon conversion and Dalitz decay 50% of photons convert into e+e- EMCAL Y (cm) TRD and TOF Time Projection Chamber Inner Tracking System X (cm) Center of Collision → 45% of photons convert into TRD and TOF → removed by p/E cut

PID g p0 Les photons directs a haut pT peuvent etre identifiés E-by-E par la forme de la gerbe l21 90 GeV 110 GeV g p0