Etude de détecteurs gazeux (MSGC) et silicium à micropistes Conception d'un algorithme de reconstruction de vertex pour les données de CMS Stéphanie Moreau

De la détection à la reconstruction Introduction au collisionneur LHC et à l’expérience CMS Etude sous faisceau de détecteurs : détecteurs gazeux à micropistes (MSGC)  valider la résistance et tester la fonctionnalité sous un flux intense détecteurs silicium à micropistes  tester l’électronique sous un faisceau échantillonné à 25 ns Algorithme de reconstruction de vertex les vertex primaires et le pile up  séparer le vertex primaire “intéressant” du pile up les vertex secondaires et les jets de b  concevoir un algorithme de reconstruction de vertex secondaires  identifier des jets issus de la fragmentation de quark b

Le programme LHC Collisionneur proton - proton 26,7 Km de circonférence s = 14 TeV f = 40 Mhz (25 ns) L = 1033 / 1034 cm-2s-1 sx = 15 mm, sy = 15 mm, sz = 5,3 cm 4 expériences : ALICE, LHCb, ATLAS et CMS

Le détecteur CMS Reconstruction des traces chargées et des vertex détecteurs à muons trajectographe (H®ZZ®mm mm) ECAL Reconstruction des traces chargées et des vertex DpT/pT ~ 1% ECAL : (sE/E)2 = (2,7%)2/E + (155/E)2 + 0,55% HCAL hermétique  mesure de Etmiss (sE/E)2 = (65%)2/E + 4,5% champ magnétique de 4T Déclenchement rapide sur les muons DpT/pT~ 10% (B0s®Kp) (H®gg) HCAL (H®bb) Poid : 14 500 t Diamètre : 14,6 m Longueur : 21,6 m aimant

Le trajectographe de CMS Détecteur silicium à micropistes Diamètre : 2,4 m Longueur : 5,4 m Volume : 24,4 m2 Tonneau TOB pixel Détecteur silicium à pixel TEC Tonneau TIB Sans les détecteurs à pixels pt 1 3 10 30 100 300 1000 GeV s(pt)/pt (10-2) total 10 Température < -10 0C Humidité < 15 % DF Pendant les 10-15 ans du LHC DF épais 1 DF fin 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 

Les détecteurs gazeux à micropistes Principe Les MSGC + GEM de CMS Tests sous faisceau Objectifs : 1- valider la résistance à un flux intense 2- tester la fonctionnalité Résultats : le nombre de pistes perdues le rapport signal sur bruit la polarisation

Principe de détection Mélange gazeux : 1/3 Néon - 2/3 DME plan de dérive de 25 mm d’épaisseur substrat en verre de 300 mm d’épaisseur 3 mm 3 mm 512 anodes : largeur = 7-10 mm, pas ~ 200 mm 513 cathodes : largeur ~ 90 mm 2 mm GEM en kapton de 25 mm d’épaisseur

Les modules MSGC+GEM de CMS Configuration initiale du trajectographe avant : 1 2 3 1 module MSGC = 4 détecteurs MSGC+GEM 4 2 faisceau 1 3 4 Électronique de lecture Alimentation en gaz

Le test sous flux intense Objectifs : 1. Valider la résistance à un flux intense des modules MSGC+GEM 2. Tester la fonctionnalité 18 modules MSGC+GEM 18 432 canaux de lecture novembre 1999 au PSI Faisceau intense de p de 350 MeV/c flux ~ 4 kHz/mm2 faisceau

Analyse du signal Signal/ Bruit moyen Signal = donnée brute - piédestal - mode commun Bruit = s signal Ped(jour 1)-Ped(jour 20) 0.01 Le rapport S/N coupure pistes Signal/Bruit 2 amas Signal/ Bruit moyen 4 0.005 -0.005 Calcul module par module :  module 1: max (landau) = S/N = 87,7 module 2 : max (landau) = S/N = 84,9 -0.01 Calcul du rapport S/N : substrat par substrat module par module (1 module  2substrats) Nombre de coups ADC -0.015 512 pistes d'un substrat faisceau MAX(signal de la piste collectant le plus de signal) le rapport S/N = Bruit de cette piste Le rapport S/N de l'amas ayant la piste de S max

Les pistes perdues 24/16896 pistes perdues Bruit Nombre total de pistes perdues Limite "Moy + 5s" Limite "Moy - 5s" 512 pistes d'un substrat Pistes mortes : bruit < Moy - 5 s Pistes bruyantes : bruit > Moy + 5 s 24/16896 pistes perdues Þ équivalent à 5,5 % de pistes en 10 ans de LHC 20 jours de test

Variation du rapport signal sur bruit Le rapport S/N est stable moyenne ~ 37 e(détection) ~ 98 % Le rapport S/N 20 jours La pression Le rapport S/N Pas d’influence significative de la pression atmosphérique sur le rapport S/N 20 jours

} Polarisation du substrat Sous flux intense : accumulation de charges à la surface du substrat baisse du rapport signal sur bruit c'est le phénomène de polarisation Pas de déviation de la polarisation par rapport à 0 #entrées LI1 LI2 } HI (S/N1-S/N2) S/N1 Différence relative du rapport signal sur bruit à basse intensité après une période de 12h de haute intensité

Synthèse sur les MSGC Rapport S/N stable Pas de polarisation du substrat Moins de 5,5 % de pistes perdues (équivalent à 10 ans LHC) Un succès MAIS changement de technologie

Les détecteurs silicium à micropistes Le nouveau trajectographe Les modules silicium de CMS Test sous faisceau Objectif : tester l’électronique sous un faisceau échantillonné à 25 ns Résultats : Le délai L’éfficacité de reconstruction

Le Trajectographe tout silicium T0 < -10 °C 6 disques 6 couches 2 x 9 disques 7 couches 15 952 modules Si ~ 107 canaux de lecture 0 1 2 1,04 1,02 1 0,98 0,96 e(TK_Si) e(TK_MSGC+Si) m (pt = 3 GeV) Module simple face Module double face 4 couches 2 x 3 disques 3 couches 

cadre évacuant la chaleur Un module silicium Substrat silicium dopé n épaisseur de 500 mm (ou 320 mm) 512 (ou 768) pistes adaptateur de pas hybride avec 4 (ou 6) puces de lecture à 128 voies cadre évacuant la chaleur

Test sous un faisceau type LHC Objectif : tester l’électronique sous un faisceau échantillonné à 25 ns 6 modules silicium à micropistes 10 jours au CERN en octobre 2001 Faisceau intense de p et de m de 120 GeV/c flux ~ 100 kHz/mm2 100 mrad 1 2 3 4 5 6

Traitement du signal Le piédestal Signal = donnée brute - piédestal - mode commun Bruit = s signal Þ amas d'1 piste sélectionné si > 5 Þ amas de plusieurs pistes sélectionné si > 2 Signal Bruit Signal Bruit 512 pistes Le bruit Les 3 détecteurs inclinés 512 pistes Le rapport signal sur bruit des amas S/N  20 512 pistes

La courbe de délai Nombre moyen de coups ADC Nombre moyen de coups ADC Objectif : Déterminer le délai entre : le passage d’une particule dans le détecteur et le signal déclenchant l’acquisition avec un rapport signal sur bruit maximum Asymétrie : Þ du à un mauvais réglage des paramètres des puces de lecture Nombre moyen de coups ADC Nombre moyen de coups ADC Ddélai (ns) Ddélai (ns)

L'efficacité de détection Pparticule 1 2 3 4 5 6 25 ns 25 ns Objectif : mesurer la capacité à détecter le passage d’une particule plateau ~ 25 ns efficacité ~ 90-95 %

Synthèse sur les détecteurs silicium Bon comportement sous un faisceau "25 ns" électronique de contrôle et d’acquisition les 6 détecteurs Paramètrage de l’électronique de lecture à faire avec soin

Reconstruction de vertex Vertex primaire méthodes (et effet du pile up) Vertex secondaire L'algorithme Elastic Arms Choix des paramètres Résultats : Résolution Efficacité Taux de vertex fantôme Temps CPU Application à la recherche de jet b

Reconstruction de vertex primaire Faisceau : sx = 15 mm, sy = 15 mm, sz = 5,3 cm Sans empilement Méthode de " binning " Méthode des amas Méthode des gaussiennes Ensemble de traces contenues dans un bin traces compatibles traces compatibles Bin de 1 mm Vertex 1 Vertex 2 traces incompatibles Rrésolution en z ~ 30 mm efficacité ~ 99,8 % Rrésolution en z ~ 27 mm efficacité ~ 97 % Zz (cm) Rrésolution en z ~ 23 mm efficacité ~ 96 %

Vertex primaire et pile up Vertex primaire associé à 12 traces d'impulsion moyenne de 5 GeV/c2 zrec-zsim = 18 mm Un seul croisement de faisceau Vertex primaire associé à 30 traces de faible impulsion moyenne (1,6 GeV/c2) Vertex primaires associés à des traces de faible impulsion

Illustration de la méthode Elastic Arms (EA) Simulation Reconstruction Les traces + 3 vertex simulés Les traces reconstruites Les traces reconstruites + 21 Vertex seed Avant EA Début EA Les traces reconstruites + 10 Vertex seed Les traces reconstruites + 3 Vertex reconstruits Analyse du même événement Pendant EA Fin EA

L'algorithme Elastic Arms Pour chaque itération T, chaque trace j, le vertex i se déplace de (Dxi, Dyi, Dzi) : c2i,j c2i,j c2i,j D (Dxi, Dyi, Dzi) = - h x Sj Vi,j x ( , , ) D D D xi D yi D zi dd : vecteur distance entre le vertex i et la trace j Constante à chaque itération Û ordre de grandeur du déplacement c2i,j = d E-1 Td E : Matrice erreur sur la position de la trace j ß donne le sens du déplacement Le potentiel d'attraction : Vi,j = inversement proportionnel à la distance e -c2i,j /T e + Sje -L /T -c2i,j Paramètre de coupure pour les traces isolées /T

h trop fort Þ divergence Optimisation des paramètres Paramètres à optimiser : h l'ordre de grandeur de déplacement des vertex L ~ c2 pour une trace isolée b = 1/T pas de calcul de la dérivée distance maximum de fusion des vertex h trop fort Þ divergence en position h trop faible Þ pas de convergence en position Zx (cm) Zx (cm) h ok Zz (cm) Iitération Iitération Iitération

Type d’événement événement q q  1 vertex primaire associé à une 30aine de traces événement b b  1 vertex primaire associé à une 20aine de traces 2 vertex secondaires associés à 2-3 traces

Convergence des « vertex seed » Xle vertex simulé Les traces = lignes les vertex seed = sphères blanches déplacement des sphères entre chaque itération = connections rouges 10 mm Zoom sur un vertex seed y

association au vertex simulé le plus proche La résolution des vertex secondaires <x> = - 7,5 ± 7,8 mm sx = 81,0 ± 19,2 mm Vertex secondaires : associés à 2 traces min dt > 100 mm association au vertex simulé le plus proche Ssim vtx Xxrec - xsim (cm) <y> = 3,3 ± 6,4 mm sy = 71,2 ± 12,7 mm Rrec vtx Xyrec - ysim (cm) <z> = 3,8 ± 4,1 mm sz = 124,7 ± 6,2 mm <1,4 <1,4 Xzrec - zsim (cm)

Origine º vertex primaire Méthodes alternatives La méthode PVR Position initial du vertex Position finale du vertex Selection des traces non associées Reconstruction du vertex associé à ces traces Élimination des traces peu ou pas compatibles Réévaluation de la position du vertex trouvé Trace peu compatible La méthode D0j Dd0 Traces secondaires Vertex primaire : Dd0 = 0 Traces primaires y Trace F Vertex secondaire : Dd0 = l f -l fB Vertex secondaire l Événement classique d0 fB x Origine º vertex primaire f

Efficacité et taux de vertex fantômes Nombre de vertex reconstruits associés à un vertex simulé Efficacité = taux de vertex fantômes = Nombre de vertex simulés Nombre de vertex reconstruits NON associés à un vertex simulé Nombre de vertex reconstruits vertex reconstruit <1,4 <1,4 <1,4 Association si 60% de traces en commun vertex simulé

Le temps CPU ß processus lent pour ~ 20 itérations Méthode EA itérative ß processus lent pour ~ 20 itérations Þ 531 ms/evt/itération F

Chaque jet est identifié par un vertex secondaire reconstruit par EA Identification de jet b Chaque jet est identifié par un vertex secondaire reconstruit par EA 2569 événement b bbar Þ (5138 jets b) mm mm mm mm cndf cndf cndf dt = distance transverse (distance entre l'axe du faisceau et le vertex) cndf = c2/(nombre de traces)

Synthèse sur la reconstruction Reconstruction de vertex par EA Bonne résolution et bonne efficacité Excellent taux de vertex fantômes Application à la recherche de jet b Améliorations pour réduire le temps CPU Difficulté de l'optimisation des paramètres

Conclusion Participation à l'expérience CMS : Évaluation des performances de détecteurs : Les détecteurs gazeux à micropistes Les détecteurs silicium à micropistes Reconstruction des futures données CMS : Vertex primaires et pile up Vertex secondaires et l’algorithme Elastic Arms Application à la physique de la beauté

Plan de la présentation Les détecteurs gazeux à micropistes (MSGC) Résultats : la résolution, l’efficacité, le taux de vertex le test sous faisceau hautement ionisant et analyse Résultats : le nombre de pistes perdues, le rapport la méthode Elastic Arms et le choix des paramètres Résultats : le délai et l’efficacité de reconstruction les détecteurs silicium à micropistes et CMS Les détecteurs silicium à micropistes le test sous faisceau et analyse 3 méthodes de reconstruction signal sur bruit et la polarisation le trajectographe tout silicium Reconstruction de vertex Le trajectographe de CMS fantôme et le temps CPU L’effet d’empilement identification de jet b Le collisionneur LHC principe de détection vertex secondaires Le détecteur CMS les MSGC et CMS vertex primaires Introduction Conclusion Plan de la présentation

MSGC : variation du piédestal

MSGC : piédestal et bruit

MSGC : calcul du rapport S/N Calcul substrat par substrat  max (landau) = S/N = 50,5 Nombre de coups ADC Calcul module par module  max (landau) = S/N = 87,7 1 faisceau 3 2 4 Le rapport S/N de l'amas ayant la piste de S max

L’inversion de type Tension de désertion (Volts) Année LHC  = 3 k cm Basse résistivité (1,5-3 kW cm) - 320 mm Haute résistivité (4-8 kW cm) - 500 mm 500µm Tension de désertion (Volts) 400µm Tension de désertion (Volts) 300µm Fluence dans le TOB après10 ans de LHC Fluence dans le TIB après10 ans de LHC Année LHC

Algorithme de déconvolution S = w1e1 + w2e2 + w3e3, w3<0 e2 e2 e1 e3 Sortie idéale e3 Sortie test M200

Les hips preamp V250 V250 Rinv V125 vCM vIN+vCM vOUT = -vIN VSS external resistor (on hybrid) 1 per APV chip preamp V250 V250 Rinv V125 vCM vIN+vCM vOUT = -vIN VSS this node common to all 128 inverters in chip

MSGC vs Silicium Les MSGC : Les détecteurs silicium à micropistes : Temps de réponse rapide ( 50 ns) Granularité fine (résolution de 40 mm) Une excellente résistance à un flux intense dans le temps Très faible quantité de matériel Technologie peu connue Alimentation continue en gaz Utilisation de forte tension ( 10aine kV) Les détecteurs silicium à micropistes : Temps de réponse très rapide ( 20 ns) Granularité fine (résolution de 30 mm) Sensible à un flux intense  inversion de type 1000 x +dense/MSGC mais de faible masse atomique Technologie bien connue T0 < -10 0C et < 15% d’humidité Utilisation de tension ( 10aine -100aine V)

Reconstruction des traces

Des hits aux traces (1) 4209 hits

Des hits aux traces (2) 25 traces reconstruites

Résolution des vertex primaire (pile up) Le vertex primaire zrec-zsim = 17 mm Pile up

Résolution des vertex primaire

Illustration de la méthode Elastic Arms Déplacement des vertex Vertex 1 Traces fixées Vertex 2 Fusion de vertex Vertex 3

Emin = -1/b Silog(e-bL + Sje-bdij) L'algorithme Elastic Arms Pour chaque itération T, chaque trace j, le vertex i se déplace de (Dxi, Dyi, Dzi) : c2i,j c2i,j c2i,j D (Dxi, Dyi, Dzi) = - h x Sj Vi,j x ( , , ) D D D xi D yi D zi Emin = -1/b Silog(e-bL + Sje-bdij) Le potentiel d'attraction : Vi,j = inversement proportionnel à la distance e -c2i,j /T e + Sje -L /T -c2i,j /T

Optimisation d’EA : potentiel Valeur de potentiel d’attraction de différentes traces sur un vertex Le potentiel d'attraction : Vi,j = inversement proportionnel à la distance e -c2i,j /T e + Sje Trace 6 -L /T -c2i,j /T Paramètre de coupure pour les traces isolées Trace 2 Ensemble des autres traces iteration

Optimisation d’EA : L iteration iteration Position z des différents vertex potentiels (cm) Position y des différents vertex potentiels (cm) iteration iteration

Problème de génération de vertex simulés Sur une base de 2569 événements reconstruction traces/vertex + simulation traces/vertex simulation traces/vertex seule Événements avec sim Événement sans sim Nbr evt 2209 360 Nbr moyen de traces/evt 23  5 25 6 Nbr moyen de vertex potentiel/evt 8  6 10  7 Nombre moyen d’iteration max 17  9 20  8 Nbr moyen de vertex rec 3  1 4  1

Les vertex secondaires de qq 2569 événements  4223 vertex : 58,7 % à moins de 50mm 5,4 % entre 50mm et 1 cm 35,9 % à plus de 1 cm : 75,5% associés à 1 trace 21,5% associés à 2 traces 3% associés à 3 traces et plus

H gg

La physique de la beauté LHC : 5 1012 bb/an (LI) Etude : Violation CP Oscillation B0s - B0s B0d  a B0d J/K0s g b B0s J/ Identification de jet b : masse élevée fragmentation dure temps de vol (2-3 mm)

Plasma quarks gluon

Le détecteur ATLAS Rayon : 10m Longueur : 35m Aimant de 2T

Le trajectographe de CMS 0,8 Efficacité de b tagging 0,6 0,4 2 traces à TIP>3s 2 traces à TIP>2s + Vtx sec rec 0,2 Pixel (tonneau) pixel (bouchon) silicium (tonneau intérieur) silicium (tonneau extérieur) silicium (mini bouchon) silicium (bouchon) 50 100 150 200 ETjet (GeV)

Le détecteur CMS Détecteur de muons (ex:H®ZZ®mm mm) Aimant de courbure Identification des muons Résolution de l'impulsion DpT/pT~1.5%pT Déclenchement rapide et efficace Aimant de courbure fort champ magnétique de 4T Calorimètre hadronique (ex:H®bb) Mesure de l’énergie des jets + mesure de l’énergie transverse manquante Calorimètre électromagnétique (ex:H®gg) Mesure de l’énergie des e-, e+ et g grâce aux 80 000 cristaux de PbWO4 Trajectographe (ex:B0s®Kp) Reconstruction des traces chargées et des vertex Mesure de l'impulsion DpT/pT =0,5% pT (pT en GeV)