THESE DE DOCTORAT : Ahmed HADJ HENNI hadjheni@subatech.in2p3.fr Isolation des photons de grande impulsion transverse dans les collisions proton+proton à

Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal. Méthode d ’extraction des photons directs (SICA). Analyse des données. Détermination des photons directs. Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA. Discussion sur les résultats et Conclusion.

Le diagramme des phases et le Plasma de quarks et de gluons. Etat “normal” de la matière  quarks confinés à l’intérieur des nucléons La QCD prédit un changement de phase de la matière nucléaire dans conditions particulières de température et de densité baryonique (T, B). Lorsque r  0 alors as  0  Liberté Asymptotique. Etat déconfiné de la matière  Plasma de quarks et de Gluons (PQG) Tc ~ 170 MeV c ~ 0.7 GeV/fm3

hydrodynamic expansion Scénario d’une collision. initial state pre-equilibrium QGP and hydrodynamic expansion hadronization hadronic phase and freeze-out 0 fm/c 2 fm/c 7 fm/c Observables Globales : centralité de la collision,Energie transverse… Observables de l’ état final : taux de particules, distribution en pT… Observables de l’ état initial : photons directs, di-leptons… Le RHIC est capable de créer les conditions nécessaires à la création d’un nouvel état de la matière: Dans les collisions Au-Au centrales à 200 GeV :

Les photons comme sonde du Plasma. pT (GeV/c) 1,0 4,0 1 10 100 107 t (fm/c) Processus durs (jets) Gaz de partons (QGP) Gaz hadronique p0, , etc... Photons thermiques g directs g décroissances Essentiellement issus des mésons Rayonnement thermique du QGP à bas pt ( non encore observé ). Processus partoniques durs : Annihilation + Compton

Fond important : Pourquoi les photons ? Collisions p+p: Photons Directs: Definition: Photons qui ne proviennent pas de la décroissance d’un hadron. Fond important : Pourquoi les photons ? Les Photons interagissent faiblement avec le plasma ( ils ne sont pas sensibles à l’interaction forte ) et gardent intacte l’information sur les premiers instants de la collision. Les photons directs à haut pt (photons prompts) sont plus simples à différentier du fond ( essentiellement ). Le QGP pourrait être detecté via la radiation des photons thermiques + info sur la température initiale. Collisions p+p: Bonne référence ( pQCD ) pour les collisions Au+Au. Direct(Au+Au)mesuré – Direct(p+p)mesuré = photons thermiques Test pour les prédictions théoriques pQCD. Milieu propice à un premier test de la nouvelle méthode SICA.

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Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) BNL ( New-York ) 3.83 km de circonférence 4 pts d ’intéractions: STAR BRAHMS PHOBOS PHENIX Campagnes de prises de données @RHIC Run I (2000) Au-Au 130 GeV ~ 24 b-1 RunII (2001-02) p-p 200 GeV ~ 0.15 pb-1 RunIII (2002-03) d-Au 200 GeV ~ 2.7 nb-1 p-p 200 GeV ~ 0.35 pb-1 RunIV (2003-04) Au-Au 200 GeV ~ 120 b-1 Au-Au 62.4 GeV RunV (2004-05) Cu-Cu 200 GeV & 62.4GeV RunVI (2005-06) p-p 200 GeV & 62.4GeV (polarisées)

Détecteurs de caractérisation des collisions (centralité, Zvertex). PHENIX: Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment Détecteurs de caractérisation des collisions (centralité, Zvertex). Deux bras centraux pour la mesure des hadrons, photons et électrons Deux bras avants pour la mesure des muons 2 types de déclenchements utilisés : BBC  Acquisition des événements de biais minimum (MB) 50 % d’efficacité de détection. ERT pour EMCal RICH Level1 Trigger pour les événements rares à haut pt: EMCal + RICH  électrons EMCal  Photons  ERT_Gamma3BBCLL1 (G3) seuil > 1.5 GeV

Scintillateurs à Plomb (PbSc) EMCal: ElectroMagnetic Calorimeter Acceptance : || < 0.375 ; D= 90º x 2 Scintillateurs à Plomb (PbSc) - 15552 tours individuelles Verre au plomb (PbGl) - 9216 tours individuelles 5m Une segmentation fine du calorimetre : Permet de distinguer 2 photons d’un 0 jusqu’à pT~25GeV/c 24768 tours

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Spectroscopic Isolation Cut Analysis (SICA) Le taux de branchement de la décroissance EM du = 98.8% + forte multiplicité. On ne prend en compte que la décroissance du pion neutre !!! 1. Dès qu ’on détecte un photon, on définit un cône autour avec une ouverture en angle 2. On impose que l’intersection du cône avec le détecteur soit contenue à l’intérieur de ce dernier. Si c’est le cas « photon candidat » 3. On cherche un partenaire à l’intérieur de ce cône + vérification que la masse invariante est proche de la masse du ( 100-160 ). Si c’est le cas photons issus d ’une décroissance EM du . Sinon « photon isolé »

Dans le référentiel du laboratoire: Cinématique de décroissance du : Dans le référentiel du laboratoire: facteur d’asymétrie en énergie: angle relatif entre les deux photons:

Conditions réelles : 1. Restriction du domaine du facteur d’asymétrie due à l ’acceptance limitée d ’EMCal introduction de Compromis entre une bonne statistique Ncand et une bonne probabilité de former une paire Estimation de l’ouverture du cône 2. Estimation de l’énergie du : 3. Energie seuil d’analyse (0.50 GeV):

Calcul de l ’excès total de photons directs [1]: L’excès total peut s’exprimer comme : Or : Le spectre du taux de production de photons directs s’obtient alors à partir du spectre de photons inclusifs par : Il nous faut : L’excès total calculé en utilisant SICA Spectre de photons inclusifs (analyse des données) Spectre de pions neutres (analyse des données) pour la simulation

Calcul de l ’excès total de photons directs [2]: L’excès de photons directs comparé aux photons de décroissance du pion s’écrit : On définit alors le rapport: données simulation Fausses recombinaisons Ce qui donne pour les données : simulation Approximé en : Finalement : les données.

- - Calcul de l ’excès total de photons directs [2]: Il faut tenir compte des autres contributions ! L’excès total s’écrit alors : - - Excès de photons directs par rapport à ceux du Contamination en particules chargées, par rapport au pion neutre, du spectre de photons directs. Fraction de photons issue de la décroissance de hadrons comparée à celle issue du pion neutre.

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Sélection des données Run3 p+p à 200 GeV. Etude uniquement sur les 6 secteurs PbSc Sélection sur le pic de masse invariante et sur sa largeur : Numéro de campagne Evolution de la position moyenne du pic masse invariante en fonction du numéro de campagne.

Coupures de sélection des photons tof < 1.5 ns chi2 < 3.0 pid > 12.0 cm Fig3: Spectre de photons dans les différents cas de coupures Fig4: Taux de photons restant après les différentes coupures 3 coupures différentes disponibles: temps de vol chi2 particules chargées Uniquement la coupure chi2 pour la suite...

Mesure de la production de photons inclusifs . Pt transition 3.5 GeV/c Spectres bruts renormalisés MB et G3

Acceptance et Efficacité: distribution plate en pt 0 < pt < 20 GeV/c pondérée par f(pt) distribution plate |zvert| < 30 cm -0.45 < y < 0.45 ~ 0.27

Contaminations… Xch : contamination en particules chargéesvaleur constante de 14% pour pt > 3 GeV/c ( cf Ch. Klein-Bösing – Ph.D. thesis ). Xnn : contamination en Neutrons/AntiNeutrons (paramétrisation H. Torii) 10 % à 1 GeV/c et 1% à 3 GeV/c. cconv : photons perdus par conversion avant PbSc. ~ 8%

Section efficace invariante de production de photons inclusifs. Section efficace invariante de production des photons inclusifs dans les collisions p+p à 200 GeV pour les secteurs PbSc.

Mesure de la production de pions neutres. Efficacite trigger ERT_Gamma3 Efftrig ~ 0.9804 Pt (GeV/c) Pt transition 3.5 GeV/c Spectres bruts renormalisés MB et G3

Efficacite de reconstruction et acceptance. Tenir compte de l’effet de recouvrement à haut pt. ~ 0.17 Pt (GeV/c) Pt (GeV/c)

biais de déclenchement BBC. pt GeV

Section efficace invariante de production de pions neutres. Section efficace invariante de production des pions neutres dans les collisions p+p à 200 GeV pour les secteurs PbSc.

Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal. Méthode d ’extraction des photons directs (SICA). Analyse des données. Détermination des photons directs. Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA. Discussion sur les résultats et Conclusion.

Première étape détermination de : Détermination des photons directs Rappel : Première étape détermination de : Et : Avec : données simulation Deuxième étape détermination de : simulation

Calcul de et (simulation) Spectres (U.A) des photons candidats (carrés) et des photons isolés (croix) pour différentes coupures en asymétrie avec en entrée du code de simulation FMC un ajustement du spectre de pions neutres mesuré.

Calcul de Rapport des spectres photons isolés sur photons candidats pour différentes coupures en asymétrie, estimé par une simulation Monte Carlo.

Calcul de et (données) Spectres des photons candidats (carrés) et des photons isolés (croix) pour différentes coupures en asymétrie pour les données CampagneIII p+p à 200 GeV

Calcul de Rapport des spectres photons isolés sur photons candidats pour différentes coupures en asymétrie pour les données CampagneIII p+p à 200 GeV.

Calcul de Excès de photons directs pour différentes coupures en asymétrie.

Calcul de ~ 0.19 Fraction de photons provenant d’une décroissance de méson par rapport à ceux provenant de la désintégration de pions neutres, pour différentes coupures en asymétrie.

Calcul de Excès total de photons directs calculé pour différentes coupures en asymétrie.

Estimation de Err. Syst.  Valeurs min. et max. de l’excès. Estimation de l’excès total moyen en fonction de l’impulsion transverse et entre [4; 8] GeV/c. Les zones grisées correspondent aux erreurs systématiques.

Calcul de la fraction de photons directs Calcul de la fraction de photons directs moyen entre [4; 8] GeV/c. Les zones grisées correspondent aux erreurs systématiques.

Présentation d’autres Méthodes PHENIX *: Méthode par étiquetage du pion neutre ( tagging method). Méthode par soustraction (Cocktail soustraction method) Sélection d’un échantillon de photons candidats dans une zone fiduciaire préétablie. Spectre de photons de décroissance tiré du spectre mesuré par PHENIX. Utilisation du mT scaling pour estimer les autres contributions hadroniques. Chercher dans l’ensemble du détecteur un photons partenaire. Introduction d’un double rapport : Vérification en masse invariante * Phys. Rev. Lett. 98, 012002 (2007)

SICA Phys. Rev. Lett. 98, 012002 (2007) Section efficace invariante de production des photons directs dans les collisions p+p à 200 GeV calculée par la méthode SICA comparée au résultat d’analyses Déjà publiées. Les rectangles grisés correspondent aux erreurs systématiques.

Discussion et Conclusion. Comparaison entre l’excès trouvé par SICA et celui de la méthode par Soustraction. Pour pt entre 5-5.5 GeV/c : Le résultat SICA semble supérieur aux autres analyses PHENIX. Un excès SICA trop important  tenir compte de la contribution en particules chargées de l’ordre de 14% dans la cas des photons inclusifs. 2. Impossibilité de comparer le spectre de photons inclusifs de l’analyse avec un résultat PHENIX déjà publié. 3. Difficulté de mettre en oeuvre de façon complète un nouvel algorithme.

Discussion (suite) :

La méthode SICA présentait l’avantage d’être un mélange des Conclusion : La méthode SICA présentait l’avantage d’être un mélange des deux méthodes précedemment citées. Un écart important de la section efficace de production de photons directs avec les autres analyses  Plusieurs pistes ont été avancées. Une section efficace de production de pions neutres pour la CampagneIII proton+proton à 200 GeV a été fournie. Une section efficace de production de photons inclusifs pour la CampagneIII proton+proton à 200 GeV qui n’a pu être comparée à des résultats PHENIX.

Excès donnés par hep-ex/0609031 Excès donnés par SICA :

Fragmentation Coupure sur la forme de gerbe pour la sélection d’un photon