Séminaire 2ième année : Laure Massacrier Le spectromètre à muons de l’expérience ALICE auprès du LHC : étude d’un trajectographe en pixels de Si et analyse des données à 7 TeV thèse effectuée sous la direction de L.Ducroux et co-direction de R.Tieulent

Plan Introduction au plasma de quarks gluons Le LHC, ALICE, le spectromètre à muons Un trajectographe en pixels de Si pour le spectromètre Simulations et premières données dimuons à 7 TeV

Introduction au plasma de quarks gluons

Etat des lieux de la physique des particules Particules fondamentales découvertes à ce jour : Les fermions : 3 familles 6 quarks (6 antiquarks) 6 leptons (6 antileptons)  Les bosons :  Le photon  W± , Z  gluons

Caractéristiques de la QCD (chromodynamique quantique) Décrit l’interaction forte : cohésion inter-quark Charges de couleurs 8 gluons Petite distance  liberté asymptotique Grande distance  confinement Pas de quarks libres! mais … S.Bethke, Prog. Part. Nucl. Phys. 58 (2007) 351

Le plasma de quarks gluons (QGP) Etat de la matière où quarks et gluons ne sont plus confinés dans les hadrons Sonder le diagramme des phases de la matière nucléaire Augmentation de la densité baryonique et de la température pour attendre la transition de phase vers un état QGP Questions ouvertes : Équation d état de la matière nucléaire? Nature de la transition de phase? Restauration de la symétrie chirale ?

Les collisions A-A de haute énergie pour recréer le QGP en laboratoire 0 fm/c Pré-équilibre QGP ? En équilibre ? Thermalisé? 2 fm/c Freeze-out chimique Freeze-out thermique 7 fm/c Effets collectifs État initial Pb Pb Hadronisation Interactions des hadrons Temps Temps de vie du plasma faible Pas accessible de façon directe à l’observation

Comment mettre en évidence le QGP Une accumulation de plusieurs signatures Suppression des résonances de quarkonias (dans le QGP, l’écrantage par les charges de couleur libres empêche la formation des paires cc et bb) Flot elliptique : anisotropie selon ϕ …… Ce qui m’intéressera plus particulièrement dans ma thèse : Etude des résonances de basses masses ρ, ω, ϕ dans le canal de désintégration dileptonique (dimuon)  Intérêt : particules à faible durée de vie, modification du spectre et du taux de production par le milieu chaud Resonance Masse (MeV/c2) Largeur (MeV/c2) cτ (fm) B.R μ+μ- (%) ρ 775 149 1.3 4.6 × 10-3 ω 783 8.5 23.5 9.0 × 10-3 ϕ 1019 4.3 46 2.9 × 10-2 J/ψ 3097 0.093 2150 5.9 ϒ (1S) 9460 0.054 3704 2.5 Elargissement de la fonction spectrale? Méson ρ : restauration de la symétrie chirale - Méson ϕ : augmentation de la production de particules étranges? Les leptons ne subissent pas l interaction forte Rho melange de quark u et d, omega aussi Phi : ssbar C.Amsler et al [PDG] « Review of particle physics » Phys Lett C 667 (2008) 1

Le LHC, ALICE, le spectromètre à muons

Le LHC Le plus grand accelérateur de particules jamais construit : 27 km de circonférence 1200 aimants supraconducteurs Collisions p-p à 7 TeV depuis le 31 mars 2010 Collisions Pb-Pb à 2.75 TeV par nucléons fin 2010 4 expériences principales : ATLAS, CMS, LHCb, ALICE

200 millions d’événements enregistrés 170 millions d’événements de biais minimum 4 millions d’événements contenant au moins un muon 80 % d’efficacité de prise de données

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Un tonneau central (identification des hadrons, électrons, photons) et le spectromètre à muons L3 champ magnétique solénoïdal : 0.5 T De nombreux sous détecteurs : ITS, TPC, PHOS, les détecteurs à petits angles (ZDC,V0,FMD)

Le spectromètre à muons Couverture en pseudo-rapidité : -4 < η < -2.5 Constitué de 4 parties principales : Un absorbeur de 4m en tungstene, acier, Pb + mur de fer L’aimant dipolaire : 0.7 T Les chambres de trajectographies : 10 plans de détection répartis en 5 stations. Chambres proportionnelles multi-fils à cathodes segmentées (80% d’Ar, 20% CO2) Les chambres de déclenchement : 4 chambres dans 2 stations, chambres à plaques résistives (RPC) Il existe un premier absorbeur composé de carbone et de béton a l avant du spectrometre pour supprimer le bruit de fond hadronique (pi et K), et reduire le flux de neutrons. Il empeche aussi la retrodiffusion de particules vers la TPC. Un mur de fer a ete installe devant les chambres de declenchement pour supprimer les muons de faible impulsion. Chambres de declenchement a 16 et 17 m du point d interaction. Declencement basé sur la mesure de l impulsion transverse des muons traversant les 2 stations. Au moins un muon superieur a 1GeV/c pour le J/psi et 2 GeV/c pour l uspilon

Etude d’un trajectographe en pixels de Si

ou ? Schéma de principe Expérience NA50 Perte d’énergie Déclenchement et trajectographie muon Expérience NA50 Champ magnétique cible faisceau Muon Autre Perte d’énergie Diffusion multiple Absorbeur hadronique ou ? Un flou au niveau du point d’interaction Dégradation de la résolution en masse

ou ! Passage à NA60 : ajout d’un trajectographe en pixels de Si Aimant dipolaire 2.5 T Déclenchement et trajectographie des muons Trajectographe Pixels Si Champ magnétique cibles Muon Autre Association des traces selon leurs coordonnées et leurs impulsions Notion de surface de recherche hadron absorber ou ! Meilleure précision sur le vertex Meilleure résolution en masse

Motivations physiques Amélioration de la résolution en masse des dimuons attendue Résultats de l’expérience NA60 (70MeV 20 MeV) Mesure de la multiplicité à l’avant de l’absorbeur Amélioration du rapport signal sur bruit (rejet des désintégrations  et K) Séparation des contributions de la beauté et du charme ouvert (famille des mésons contenant respectivement un seul quark (ou anti-quark) b ou c) des contributions des dimuons dits prompts (J/(cc) et (bb)) : détermination de l’offset (ou DCA) Avec pixels sM = 20 MeV Sans pixels sM = 70 MeV Particule omega -> m=782MeV qui se désintègre en dimuon Pour le rho m=775MeV Pour le phi m=1020MeV

J/psi, upsilon (muons prompts) Définition de l’offset ou DCA (distance of closest approach) : distance entre l’extrapolation de la trace muon jusqu’au point d’interaction et le point d’interaction, mesurée dans le plan transverse (X,Y) vertex Trace muon extrapolée X Y DCA En ZIP Y 0 100 200 300 400 500 600 700 Offset (m) Z X Particule cτ J/psi, upsilon (muons prompts) 2150 fm, 3704 fm Charme (D0, D±) 123 μm, 312 μm Beauté (B0, B±) 457 μm, 491 μm π et K 4~7m Markus Keil, CERN, For the NA60 collaboration

Faisabilité dans ALICE ? Le champ est faible (0.5T valeur maximale) et dirigé selon l’axe Z. Quelle est la multiplicité à l’avant de l’absorbeur ? Peut on associer les traces provenant du spectromètre avec celles provenant du télescope ? Quel est l’influence du tuyau sur la multiplicité à l’avant de l’absorbeur ? Est ce que le bras de levier induit par la distance qui sépare le 1er plan de pixel du point d’interaction est important ? Y a t’il suffisamment de place dans ALICE pour insérer les plans de pixels ?

Focus sur le tonneau central et implantation des plans Nécessité d’enlever le T0 et le FMD T0 : 12 compteurs Cerenkov Le T0 mesure l’instant de la collision avec une précision de 50 ps FMD : 5 disques faits en piste de Si. Mesure la distribution des particules chargées dans une région complémentaire au tonneau central 5 pixels planes Alice Technical Design Report

Caractéristiques des plans Numéro du plan Z(cm) Rmin (cm) Rmax Plan 1 -50 1.8 8 Plan 2 -58 2 9.25 Plan 3 -66 2.3 10.4 Plan 4 -74 2.5 11.7 Plan 5 -82 2.8 12.9 5 plans de pixels dans ALIROOT Epaisseur des plans de 750 μm dans les premières études θ entre 2° and 9° : acceptance du spectromètre Diminution du rayon du tube faisceau (de 2.98cm à 1.8cm) pour pouvoir couvrir à partir de 2° dans le 1er plan Dire que les plans doivent couvrir l’acceptance du spectromètre Diminution du rayon du tuyau de 2.98cm -> à 1.8cm

Influence du champ et de l’absorbeur sur les muons Un mouvement essentiellement en rϕ  cercle dans le plan (X,Y) Pixels de petite taille Difficile détermination de l’impulsion par une trajectographie indépendante 40 cm pixels Avec contrainte au vertex : Rayon de recherche pour les candidats ~ 3mm en moyenne Sans contrainte au vertex : rayon de l’ordre du cm Quand Pt augmente le rayon diminue Déplacement des muons dans la region des plans (de 50cm jusqu a l absorbeur) pas d information sur le vertex Delta R : distance dans le plan (X,Y) entre la trace et une extrapolation linéaire de la trace (pas d information provenant du vertex pour la détermination de la pente de l extrapolation linéaire) Influence de l absorbeur : Distance dans le plan (X,Y) entre la trace a l avant de l absorbeur et l extrapolation de la trace du spectrometre devant l absorbeur spectro

Etude de multiplicité : Influence du tube faisceau Nombre d’impacts Plan 1 Plan 2 Plan 3 Plan 4 Plan 5 Sans tuyau 5372 ± 73 5605 ± 74 5638 ± 75 5866 ± 77 6017 ± 77 Avec tuyau (réduit en diamètre) 9520 ± 97 11943 ± 109 14167 ±119 17300 ± 132 19331 ± 139 Rayon externe du tube 0.8 mm Rayon interne du tube Les particules peuvent traverser jusqu’à 23 mm de béryllium à faible angle. Proposition d’une géométrie conique pour réduire les interactions avec la matière du tube faisceau

Tuyau cylindrique Tuyau conique Particules primaires : particules provenant de l’interaction et leurs produits de désintégration Particules secondaires : particules provenant de l’interaction des particules primaires avec la matière du détecteur (principalement tube faisceau et absorbeur) Without pipe Conical pipe Cylinder-shape pipe

Résolution au vertex et mesure de l’offset Simulation de particules upsilon : Muons prompts générés à la position (0,0,0) sans erreur sur la position Pixels de 10μm ×10μm et 50μm d’épaisseur Méthode de tracking : Reconstruction basée sur les outils développés pour le spectromètre à muons. Prolongation du tracking jusqu’aux clusters des plans de pixels (filtre de Kalman+ fonction d’extrapolations) Hypothèse de tracking : Faibles taux d’occupation : digits =clusters Tracking et matching 100% efficace : utilisation de l’identifiant MONTE CARLO pour trouver les bons clusters Un cluster doit exister dans chaque plan Fonction d extrapolation : on prend en compte la présence du champ magnétique et on corrige de la diffusion multiple due a l interaction avec la matiere 50 μm × 50 μm 100 μm × 100 μm

Résolution au vertex sur les coordonnées X et Y : 12μm pour une simulation d’upsilon et avec un tuyau conique  En accord avec le calcul d’erreur donné par le filtre de Kalman en prenant en compte les effets de matière Error on X coordinate given by Kalman filter (μm)

La résolution au vertex dépend de l’impulsion : de 10 μm à haute impulsion à 36 μm à basse impulsion Introduction d’un offset pondéré pour essayer de corriger la dépendance en impulsion Δx et Δy sont les différences entre les coordonnées transverses au vertex du muon extrapolé avec les coordonnées du vertex V-1 est l’inverse de la matrice d’erreur qui prend en compte l’erreur sur les coordonnées du vertex et l’erreur sur les variables cinématiques du muon reconstruit On peut définir un offset pour le dimuon :

Mesure effectuée par le spectromètre seul Mesure spectromètre + pixels Muon d’un ϕ Muon d’un D Muon d’un B DCA (cm) Offset (μm) Diego Stocco; présentation LPC Clermont, 4 mars 2010 Mesure effectuée par le spectromètre seul Mesure spectromètre + pixels

Muon d’un ϕ Muon d’un J/Ψ Muon d’un D Muon d’un D Muon d’un B Dimuon d’un ϕ Dimuon d’une paire DD Dimuon d’une paire BB Dimuon d’un J/ψ Dimuon d’une paire DD Dimuon d’une paire BB Rejet d une partie du bruit de fond venant des mesons B et D, distinction entre mésons B et D

Résolution des spectres en masse invariante Improvement of P resolution with telescope (%) Dans l’hypothèse d’un tracking et d’une association des traces 100% efficace Pas d’amélioration de P et Pt, la valeur de l’impulsion est donnée par le spectromètre Amélioration de l’angle entre les impulsions des muons issus de la désintégration θ P P1 P2 spectro pixels

Amélioration du spectre en masse pour toutes les résonances spectro Spectro + pixels Amélioration du spectre en masse pour toutes les résonances Résolution MeV/c2 ρ ω ϕ J/ψ ϒ spectromètre 98 49 41 57 85 Spectromètre + pixels 11 7 32 69

Méthode d’association des traces Différentes façon de sélectionner les muons que l’on cherche à associer (principalement pour réduire le nombre de candidats finaux) : matcher le trigger du spectromètre (intéressant en Pb-Pb pour rejeter les hadrons qui arrivent jusque dans le spectromètre) coupure en Pt > 0.5 GeV/c pour rejeter les muons célibataires coupure sur la position du muon à la sortie de l’absorbeur (en dessous de 3 degrés)

Dans le 5ième plan 2 zones de recherche des candidats : Méthode pour rejeter les π et K qui se désintègrent dans les plans ou dans l’absorbeur Sans Branson Sans Branson Avec Branson Avec Branson Bruit de fond signal Dans le 5ième plan 2 zones de recherche des candidats : Extrapolation sans l’hypothèse de Branson : zone importante due à la diffusion multiple Extrapolation avec Branson : trace qui vient du vertex avec une certaine erreur sur la position  L’erreur sur le vertex doit être suffisamment grande pour contenir le signal, mais suffisamment petite pour rejeter le bruit de fond des π et K

Tests très préliminaires!!! pp 14 TeV Pythia 15 particules primaires chargées à mi-rapidité Nombre de candidats moyens Coupure à ~ 4σ sur le χ2 de la trace 1.6 Matcher le trigger + pt>0.5 + angle > 3° + ~ 3σ sur le χ2 de la trace 1.025 Pb-Pb périphérique Hijing 250 particules primaires chargées à mi-rapidité Nombre de candidats moyens Matcher le trigger + pt>0.5 + angle > 3° + ~ 3σ sur le χ2 de la trace 2.3 (quelques événements à + de 10 candidats) Une bonne action des coupures sur le nombre de candidats il faut moins de 2 candidats Possibilité de durcissement des coupures multiplicité Pb-Pb périphérique ~ Ca-Ca ~ p-A

Simulations et premières données dimuons à 7 TeV

Nombre moyen de ρ, ω, ϕ produits par collision à 7 TeV (pythia) 3.31 3.12 0.29 7 TeV 5.088 4.81 0.4622 14 TeV 6.31 6.07 0.615 Ces nombres sont utilisés pour separer le omega du rho et pour normaliser les spectres apres extraction ρ Valeurs à 14 TeV extraites de la thèse de F.Nendaz Valeurs à 5.5 TeV extraites de la thèse de B.Rapp

Spectre en rapidité, pseudo-rapidité, P et Pt ϕ ϕ ω ω Generé a partir de la distribution en Pt du pion La distribution en pt ne depend que des masses des resonances, donc elles ont des allures similaires Distribution sont piques a faible impulsion pour toutes les resonances

ρ généré ρ reconstruit ρ : pic moins prononcé, petite augmentation de la largeur ω généré ω reconstruit ω : augmentation du pic plus importante. Contribution de la désintégration à 3 corps ωπ0μ+μ-

ϕ généré ϕ reconstruit ϕ : grande augmentation de la largeur du pic

spectre dN/dPt reconstruit ρ ρ Scenario à 1 mois et 3 mois de prise de données. Luminosité : 2.3×1029 cm-2 s-1 efficacité du LHC : 12% Seuil en Pt pour le ρ (erreur statistique inférieure à 10%) pour un mois de prise de données : 4 GeV/c, pour 3 mois de prise de données : 5.2 GeV/c Pour le ω : 1 mois : 4.8 GeV/c , 3 mois : 6 GeV/c Pour le ϕ : 1 mois : 3.6 GeV/c , 3 mois : 4.8 GeV/c

Premier spectre en masse invariante officiel sur les données à 7 TeV!!! R.Arnaldi , pwg3 meeting

Conclusion Les performances physiques attendues du télescope ont été montrée : une résolution au vertex pouvant atteindre 12 μm, une amélioration importante de la résolution en masse de toutes les résonances En cours : - performances du matching - simulations avec des pixels de 20 μm×20 μm, 150 μm d’épaisseur - effets de l’incertitude sur le vertex (smearing) - influence d’une structure de maintien du télescope  Les premières données à 7 TeV sont en cours d’analyse Des simulation avec un cocktail de muons sont réalisées afin de faire une première comparaison avec les données Groupe ALICE Clermont-Ferrand

Merci de votre attention

Back up : Filtre de Kalman Reconstruction basée sur les outils développés pour le spectromètre à muons. Utilisation de la fonction d’extrapolation d’une trace dans un champ magnétique (prise en compte des phénomènes physiques à la traversée de matière) Filtre de Kalman Paramétrisation en hélice Plusieurs segments d’hélice Chaque segment à ses propres paramètres Une hélice Un seul jeu de paramètres

Nécessité d’une bonne résolution en r pour observer le déplacement induit par le champ magnétique! Y R d r  r ’ X

Tests très préliminaires!!! pp 14 TeV Pythia 15 particules primaires chargées à mi-rapidité Nombre de muons matchés/ nombre total de muons (%) Nombre de muons matchés/ nombre de muons reconstructibles (signal+ π et K désintégrés avant le plan 1) (%) Nombre de candidats moyens Nombre de candidats moyens pour les muons matchés Coupure à ~ 4σ sur le χ2 de la trace 7091/7497 = 94,6% 7091/7293 = 97,2% 1.6 1.53 Matcher le trigger + pt>0.5 + angle > 3° + ~ 3σ sur le χ2 de la trace 3626/3788 =95,7% 3626/3760 = 96% 1.025 1.06 Pb-Pb périphérique Hijing 250 particules primaires chargées à mi-rapidité Matcher le trigger + pt>0.5 + angle > 3° + ~ 3σ sur le χ2 de la trace 84/265 = 31,7% 84/91 = 92% 2.3 (si on ne garde que les événements < 10 candidats moyenne=1.53) 1.89 (si on ne garde que les événements < 10 candidats moyenne=1.7)