Performances du détecteur en silicium à micropistes de l’expérience STAR au RHIC Color of tracks = energy loss of particles (red = higher energy loss) http://www.pa.msu.edu/feature/westfall.html Jonathan Bouchet 29 octobre 2007

Sommaire Motivation Complexe expérimental Données du Silicon Strip Detector Analyse des données produites Cu+Cu Simulation Reconstruction des particules étranges Conclusions et perspectives

Sommaire Motivation Complexe expérimental Données du Silicon Strip Detector Analyse des données produites Cu+Cu Simulation Reconstruction des particules étranges Conclusions et perspectives

a. Le Plasma de Quarks et de Gluons état déconfiné de la matière nucléaire Prédiction de QCD sur réseau : Tc ~ 170 MeV c ~ 0.7 GeV/fm3 À la transition de phase, augmentation de la pression et de la densité d’énergie =brutal changement du nombre de degré de liberté du système. Aurait existé lors des 1iers instants de l’Univers Existerait actuellement sous des formes difficilement accessibles expérimentalement

b. Collisions d’ions lourds Détecteurs 0 fm/c 2 fm/c 7 fm/c temps État initial Pré équilibre Milieu dense et chaud (PQG ?) Hadronisation 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.

c. Mesure du charme ouvert Quarks lourds : produits lors des 1iers 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) Masse invariante D0(D0) Décroissance semileptonique (mesure indirecte) D0  e+ + anything 6.9% D+/-  e+/- + anything 17.2% nucl-ex/0510063 nucl-ex/0511005 Décroissance hadronique (mesure directe) D0  K- + 3.8% D+/-  K   9.2% D0 bar  K+ - 3.8% Spectre d’électrons non photoniques

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 nucl-ex/0607012 D0 K+- c = 124 m

Sommaire Motivation Complexe expérimental Données du Silicon Strip Detector Analyse des données produites Cu+Cu Simulation Reconstruction des particules étranges Conclusions et perspectives C’est dans cette optique que depuis 2 ans STAR essaye d’utiliser ses détecteurs de vertex pour cette mesure

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 Prise de données runV (2005) Ös (GeV) Cu+Cu 200 62.4 19.6 p+p (polarisés) 410 http://www.agsrhichome.bnl.gov/AP/Spin2006/ Long Island

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

c. Silicon Vertex Tracker Couche 1 8 échelles 4 modules par échelle <R> = 6.85 cm Couche 2 12 échelles 6 modules par échelle <R> = 10.8 cm Couche 3 16 échelles 7 modules par échelle <R> = 14.7 cm Détecteur en silicium à dérive Dimension d’un module 60 x 60 mm2 Résolutions spatiales r/ = z ~ 20m Relativement épais : Longueur de radiation : <1.5%X0> par couche

d. Motivations du SSD Décroissance d’un  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  SVT Il améliore la fraction de particules étranges reconstruites TPC SSD

d. Silicon Strip Detector Couche placée à 23 cm du faisceau 0.5 Millions de canaux S~1 m2 Détecteur en silicium double face à micropistes 73 x 42 mm2 x 300 m Résolutions spatiales r/ = 25m z = 800m Longueur de radiation : 1.1 % X0 Différences SSD/SVT En Z on perd de la résolution mais on doit calibrer le SVT pour le calcul de la vitesse de dérive Spécificité : Intégration Compacité (électronique intégré)

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a. Reconstruction des données Collisions A+A Soustraction des piédestaux Pistes Amas de charge Points d’impacts Cluster Matcher Trajectographe ITTF DAQ de STAR DAQ du SSD Finder Analyse en ligne Gain Calibration Alignement Lorentz Effect vers Analyse hors ligne L’analyses hors-ligne du SSD consiste en la reconstruction des points d’impacts Signal Physique

b.1 Piédestal et bruit bi Pi Réponse à «vide» du détecteur Acquisition sans collisions Piédestal = moyenne du «signal» Bruit = écart-type associé bi Pi

b.2 Taux de pistes bruyantes et Stabilité CuCu@200GeV CuCu@62GeV pp@200GeV CuCu@22GeV Piédestal 16 x Bruit <bruit>~4 ADC Le pourcentage de pistes dont le bruit est > 8 ADC est de l’ordre de 5 %

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 : s/b >5 Signal sur bruit Indices de pistes

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

c.2 Environnement dense en particules

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

Type de points d’impacts reconstruits Association géométrique des amas de charge 8 hits /détecteur = limite supérieure Majorité de cas non ambigus 1-1 1-2 1-3 2-2 2-3 3-3 Type % 89.7 L’ensemble des cas jusqu’à la combinaison de 3 amas sur chaque face permet de reconstruire 99% des points d’impacts Ambiguïté croissante Exemple 1-1: un amas sur une face du détecteur associé avec un seul amas sur l’autre face du détecteur

d.2 Coupures appliquées s/b Pas de coupure sur les pistes voisines Amas de charge Points d’impacts Cluster Matcher 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 s/b Pas de coupure sur les pistes voisines

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

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

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

f.2 Résultats Pas de calibrage Calibrage 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

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) <Z> 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

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 Vbias = 40 V) normalisées à STAR. e+ = 4.4  e- = 1.6  x = 12 m pour les trous x= 4,2 m les électrons Augmentation de l’efficacité car l’association de la trace avec le point du SSD est améliorée. Cms : pitch = 80 um face p et 50 mu face N Or  =  (T, Vbias) Dx décroit qd T augmente Theta décroit qd U augmente [1]:physics/0204078

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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 Efficacité Cu+Cu@62GeV x Trace provenant de la TPC x B Efficacité globale , ie en prenant en compte les zones mortes / où moins active (bruyant du détecteur) Traces avec SSD x # Toutes les traces À l’intérieur du SSD  =

a.2 Cu+Cu@200GeV Efficacité en fonction de l’impulsion P des traces primaires Détecteur Points d’impacts Si Efficacité SSD 1 54.4 SVT 2 3 54.5 44.5 SSD+SVT 4 49.0 58 46.6

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 : vertex ~ 600m/√(Nombre de traces) tracking~ 2 * XY (XY : résolution intrinsèque du détecteur) Diffusion multiple coulombienne (MCS): f(x/X0,1/P) En 1 ière approximation, MCS ~ 140m/ P(GeV/c) 2 = 2vertex + 2tracking+ 2MCS [1] Condition : tracking ~ MCS à 1GeV 0 x 0 = XY< 80m Z < 80m De [1] :

c. Résultats (Cu+Cu@200GeV) Résolutions sur les DCA évaluées comme la déviation standard de la distribution des DCA TPC TPC TPC+SSD TPC+SSD TPC+SSD+SVT TPC+SSD+SVT À la limite 1/P -->infini, on retrouve que la résolution est égale au paramètre « a » Svt : infinite momentum : (je fit par un pol1 pour prolonger à l’intersection de l’axe) xy : 98 mu Z : 54,4 mu DCA à 1 GeV xy (m) Z (m) TPC 3350 1800 SSD 960 1005 SSD+SVT 281 213 (m) a Selon xy 183 Selon z 120

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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

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

b. Influence du bruit sur l’efficacité de trajectographie Efficacité en fonction de l’impulsion Efficacité en fonction de l’angle azimutal Bruit parfait : efficacité plate Bruit réel : disparités dues aux différences de bruit des échelles Bruit élevé : efficacité plate mais plus basse Type de bruit des pistes parfait réel élevé Efficacité intégrée (%) 85 66 48.5

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VI Reconstruction des particules étranges Type V0 Vertex secondaires Type Cascade

a. Masse invariante KS0 +- 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 Nombre de points d’impacts dans les détecteurs de vertex 1 (SSD seul) >1 Signal sur bruit 3 9 16

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 1ières analyses montrent l’impact du SSD (et SVT) sur les données physiques Effet de Lorentz : implémenter pour la 1ière 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 (AuAu@200GeV) Mise en place d’histogrammes de contrôle (QA) en ligne Analyse des données.

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)

Merci de votre attention

c.2 Mesure directe : D0 K Avant Identification des K+/- et des +/- avec la TPC Mesure de la masse invariante Soustraction du bruit de fond (mixage d’évènements ou rotationnel) Après bckgd soustraction Ajustement additionnel Distribution en pT des D0 et des électrons non photoniques nucl-ex/0510063

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 RAA = dNAA/(TAA*Npp) Supression plus importante des électrons non photoniques pour les collisionds les plus centrales : Perte d’énergie élevée des quarks lourds dans le milieu.

Collisions de protons polarisés

Comparatif SPS/RHIC/LHC Schukraft, Nucl. Phys. A698 (2002) 287. Collisions centrales Pb-Pb (ou Au-Au ) √SNN (GeV) dN/dy 0 (fm/c) (à 1fm/c) (GeV/fm3) [1] PQG f SPS 17 400 1 3 <2 10 RHIC 200 850 0.2 5 2-4 20-30 LHC 5500 2000-8000 0.1 16-64 >10 30-40 [1] :

e.1 Une Échelle

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

Refroidissement par air

Installation dans STAR 2004 2002 2003 Le SSD a été complété pour l’année 2005, où des collisions Cu-Cu ont eut lieu et c’est à partir de ces données que je vais illustrer mes travaux de thèse / 1 échelle 10 échelles 20 échelles

e.3 Méthode

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 : XG,Lhit - XG,Ltrace 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 = 49.5 +/- 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

Cas des traces inclinées Pistes de lecture Face P + + + + + + E +  + Face N  VBias

Perte d’énergie La taille de amas de charge augmente pour les faibles pT. La perte d’énergie associées aux points d’impacts augmente pour les faibles pT. Possible contribution du point du SSD au dEdx de la trace calculée par la TPC.

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

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

essais

VI Reconstruction des particules étranges fille positive fille négative Longueur de décroissance du KS0,  Vertex primaire particule fille positive fille négative Longueur de décroissance du V0 Vertex primaire décroissance du , bachelor

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

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 1iers instants de l’Univers Existerait actuellement sous des formes difficilement accessibles expérimentalement : les étoiles à neutrons

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

d. Silicon Strip Detector Détecteur en silicium double face à micropistes Dimension d’un module 73 x 42 mm2 Résolutions spatiales r/ = 25m z = 800m Couche placée à 23 cm 20 échelles de 16 modules 0.5 Millions de canaux S~1 m2 Les électrons et les trous sont collectés sur des pistes en silicium sur chaque face du détecteur Longueur de radiation : 1.1%X0

d.1 Points d’impacts reconstruits 8 hits /détecteur = limite supérieure Majorité de cas non ambigus environnement en amas diminue Type 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X 85.7 2.9 3.8 0.7 0.5 0.9 1.7 1.2 0.6 86.2 2.7 3.7 1.1 88.8 1.8 3.2 0.2 0.4 0.8 89.7 1.4 3.0 0.1 0.3

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