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

Motivations Physiques

CBM = Compressed Baryonic Matter Objectifs de l’expérience CBM CBM = Compressed Baryonic Matter 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 ρB –température modérée Deux objectifs principaux Transition de phase  QGP Propriétés de l’interaction forte. Propriétés des hadrons dans la matière à haute ρB Restauration de la symétrie chirale. FAIR

Une des observables pour CBM Une des observables les plus intéressantes dans CBM est le charme ouvert 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. Prédiction d’un modèle de transport FAIR SIS 18 GSI présent Multiplicité par collision Energie du faisceau [AGeV]

Défit de CBM pour la mesure du charme Prédiction d’un modèle de transport FAIR SIS 18 GSI présent Multiplicité par collision Energie du faisceau [AGeV] Seuil de production du charme ~ 1 D0-> π+K- par 220.000 coll.centr. Haute multiplicité des part. chargées ~ 1000 par collision centrale 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 ! Il est nécessaire de construire un détecteur capable de répondre aux exigences

La Manip

Le détecteur CBM ECal Trajectomètre : STS TRDs 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 TRDs RICH Identification des électrons : Suppression des pions RICH & TRD & ECAL Identification des hadrons : ToF – (RPC) Mesure des photons, π, η : ECAL (Cal. électromagnétique) Aimant Cible + STS ToF – (RPC)

Détection des mésons charmés Vertex primaire Vertex secondaire Detecteur1 Detecteur2 Cible (Au) z D0 (cū), c = 123 m D0  K-+ (BR =0.0383) On a besoin de détecteurs avec Excellente résolution spatiale 2) Très faible épaisseur (diffusion multiple) 3) Bonne résistance aux radiations ~1013neq/cm² Détecteur de vertex proposé : Capteurs CMOS Monolithic Active Pixel Sensor: Résolution spatiale: ~ 3 m Epaisseur : ~ 0.2 % X0 ( ~ 200 m Si eq.) Radio résistance: ~1013 neq/cm² (durée de vie) ( coll. IPHC/Francfort )

Etapes de simulation et résultats

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 D0 qu’on mesure est suffisant pour faire des études supplémentaires. Description simplifiée de différents étapes de la simulation 2. Transport (Geant 3) Simuler interaction avec la matière 1. Générer le BdF et le signal 3. Simulation du détecteur (« smearing » gaussien) 3 plans, 200μm épais, 3μm resol. 4. Reconstruction et ajustement des traces Analyse: Reconstruction candidats D0

Identification des D0 avec spectre de masse invariante Bruit de fond ??? Entrées [1/10 MeV] Masse invariante [GeV / c²] (Masse des candidats D0 reconstruites ) Bruit de fond trop élevé pour extraire le signal ! D0 K + π +

Les traces en dehors du rayon du paramètre d’impact sont rejetés Critères pour traces isolées Critères pour paire de traces PV-cut IPD0-cut D0 Target plane π+ Target plane D0 K- La trajectoire reconstruite de D0 ne doit pas entrecroiser le point d’interaction Il faut que les deux traces ne s‘entrecroisent pas avec le point d‘interaction IP-cut SvZ-cut and SvChi-cut D0 Target plane D0 Les traces en dehors du rayon du paramètre d’impact sont rejetés SvChi-cut: Distance minimum entre les 2 trajectoires. Target plane SvZ-cut: Vertex sec. situé très proche au point de collision est rejeté

Fluctuations simulées Résultat final pour une géométrie donnée 3 plans, 200μm épais, 3μm resol. … SNR = 96 S/B = 0.73 Fluctuations simulées avec un générateur aléatoire 22 000 D0 / durée de vie du det. Entrées [ 1 / 10 MeV ] Efficacité de rec: 4.0 % D0 K + π + Rejet idéal des protons Masse invariante [GeV / c²]

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 ~ 22 000 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 D0 qu’on obtient est suffisant pour des études détaillées des mésons charmés. Conclusion:

Back-up slides

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

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

Collision de deux noyaux 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. Collision de deux noyaux QGP ρ0 = 0.17 nucléons/fm3 ( 2.7x1017 kg/m3 ) ρc ≈ 8∙ρ0 ( 21.6x1017 kg/m3 ) 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)

Monolithic Active Pixel Sensors: Principe de fonctionnement QGP

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.

Identification des D0 avec spectre de masse invariante (Masse des candidats D0 reconstruites ) Bruit de fond Entrées [1/10 MeV] D0 K + π + Masse invariante [GeV / c²] Bruit de fond trop élevé pour extraire le signal !

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