Identification du Z 0 et détermination de sa masse Désintégration du Z 0 Principes de détection Le détecteur ALEPH Identification des produits de désintégration.

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1 Identification du Z 0 et détermination de sa masse Désintégration du Z 0 Principes de détection Le détecteur ALEPH Identification des produits de désintégration du Z 0 (DALI) Sélection des événements associés au Z 0 et détermination de sa masse (QTALEPH) Ref.: - http://aleph.web.cern.ch/aleph/http://aleph.web.cern.ch/aleph/ - Glenn F. Knoll: Radiation detection and measurement

2 Table des Particules Elémentaires

3 Désintégration du Z 0 Z0Z0 e+e-e+e- +-+- +-+- qq  e +-  e    +-      +-        +-  

4 Principes de détection Scintillateurs plastiques Détecteur à effet Cerenkov Chambres proportionnelles Semi-conducteurs...

5 Scintillateurs plastiques Principe: Excitation d'électron des molécules du plastique lors du passage d'une particule chargée. La lumiere émise lors de la désexcitation de ces électrons est captée par des Photo-Multiplicateurs.  Fluorescence (10-9 sec)  Phosphorescence (10-3 sec)  Fluorescence retardée Ajout d'un “Wave-lenght shifter”, composant permettant d'augmenter cette différence

6 Effet Cerenkov Principe: Lumière émise lors du passage d'une particule chargée rapide dans un milieu transparent avec un indice de réfraction supérieure à l'unité. La lumière est transformée en signal électrique par des photo-multiplicateurs. Lumière émise si v part > v lum du milieu:  = v/c et n = indice de réfraction du milieu.  n > 1

7 Détecteurs à gaz (current mode) Principe: Création de paires électron-ion + + + + + - - - - - Particule Chargée Création de paires dépend de E ionis. du gaz (10-20 eV) Mais: Pertes d'énergie non-ionisante => Energie/Création de paire ~ 30-35 eV Ex.: Pour une particule de 1 MeV arrêtée: environ 30000 paires créées. Recombinaisons: dn/dt = -  n + n -  coeff de recombinaison n = densité d'ions + ou - Sous l'effet d'un champs électrique: Mobilité gaz + - I  + + + + + - - - - - v +- =  /P v =  vitesse de dérive de l'ion  = champs électrique  = mobilité P = pression du gaz  ion ~ 1-1.5 10 -4 m 2 atm/V s  e- ~ 1000 x  ion

8 Pulse mode V0 VR = 0 en absence de particule Si particule ionisante: Perturbation de V0 et apparition d'un signal en VR tel que dans un circuit RC Pour diminuer le temps de réponse: Seuls les e- sont collectés => Signal dépendant de la position Soit  =V/d cst Si t + = tps de collection des ion t - = tps de collection des e- Velec=Vmax*x/d, Vmax=n0 e/C Ex: Part. de 1 MeV: n0 ~ 2.86 *10 4 C ~ 10 -10 farad Vmax ~ 4.6 10 -5 V => Amplification !!!

9 Chambres proportionnelles Principes: Si la tension est suffisante (à 1 atm et 10 6 V/m) => ionisation secondaire (avalanche) En condition proportionnelle: N fin ~ 10000 N 0 Ex:  = V/(r ln(b/a)) b = rayon cathode a = rayon anode si a = 0.008 cm, b = 1 cm, V = 2000 Volts => 5.18 10 6 V/m en surface du fil ~ 51800 Volts pour 2 plaques parall. séparées par 1 cm. => Signal amplifié et proportionnel à la charge déposée dans le détecteur

10 Chambres à fils

11 Semi-conducteurs + + + + + - - - - - Particule Chargée n e- p trous Matériel de densité élevée: - Détecteurs de petite taille - grand nombre de porteurs de charge => Bonne résolution en énergie Matériel intrinsèque Si T=0 : Valence remplie et Conduction vide Si T>0 : Des e- vont passer dans la bande de conduction Proba: P(T) = Cste T 3/2 exp(-Eg/2KT) ex.: pour Si à T=300°K (25° C): ni = pi = 1.5 10 10 cm -3 Si  = 0: ni = pi car # recombinaison = # création Si  > 0: v h =  h  v e- =  e-  avec  h =  e- E paire ~ 3 eV pour Si et Ge Pour une particule de 1 MeV: => 3 10 5 paires Pour Si intrinsèque (50 kΩ cm) 1 mm et 500 Volts => 0.1 A

12 n-type et p-type n-type: Impûreté P dans cristal Si N D >> e- libres => n~N D n n-type ~10 17 cm -3 (porteurs majoritaires) >> p n-type ~10 3 cm -3 (porteurs minoritaires) Donneur sans son e- ne se comporte pas comme un trou car il ne peut pas migrer conduction valence conduction niveau donneur conduction valence conduction niveau accepteur p-type: Impûreté B dans cristal Si N A >> pi => p~N A p p-type (porteurs majoritaires) >> n p-type (porteurs minoritaires) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + +

13 Jonctions p-n Sans polarisation: Potentiel de contact ~ 1 V -  (x) trop faible pour faire migrer les porteurs de charges (recombinaisons) - Epaisseur de déplétion trop petite Avec polarisation: e- migrent vers borne + => courant augmente Porteurs minoritaires (e- dans p-type) repoussé vers n-type: => potentiel de contact augmente => déplétion augmente Si V suffisant: toute la jonction est déplétée (possible pour des jonctions de 50 à 1000  m) p n + + - + + - - - - - - - - + - + + + Directe Inverse n pn p - -

14 Jonctions p-n Breakdown Courant de fuite Détecteur à pistes

15 Le détecteur ALEPH

16 Système d'identification

17 Détecteur de Vertex 1991: R1 ~ 6.3 cm R2 ~ 10.8 cm Double face (r-  ) et z Resol.:  r  ~12  m,  z ~10  m

18 Trajectographe interne Gaz: Ar CO2 (80%:20%) Rin ~ 12.8 cm Rout ~ 28.8 cm Résol.:  r  ~150  m,  z ~7 cm Décide de l'enregistrement ou non de l'événement.

19 Chambre à projection temporelle Gaz: Ar CH4 (91%:9%) Rin ~ 31 cm Rout ~ 180 cm Résol.:  r  ~180  m,  z ~1 mm Pt ~ 0.3  B (GeV/c),  /Pt ~1.2 e-3

20 Calorimètre Electromagnétique Mesure l'énergie des e- et des photons Alternance d'épaisseur de Pb et ch. à fils Gaz: Xe CO2 (80%:20%) Longueur de radiation: 3-9 X 0 Rin ~ 185 cm Rout ~ 225 cm  /E = 0.009 + 0.18/sqrt(E(GeV))

21 Calorimètre Hadronique Mesure l'énergie des gerbes hadroniques Alternance d'épaisseur de Fe et ch. à fils Gaz: Ar CO2 + Isobutane (12.5%:56.5%:30%) Rin ~ 300 cm Rout ~ 485 cm  /E = 0.85/sqrt(E(GeV))

22 Chambres à Muons Détection des muons Deux couches de chambres à fils Gaz: Ar CO2 + Isobutane (12.5%:56.5%:30%) 95% d'efficacité pour des muons de 5 GeV

23 DALI: e + e -

24 DALI:  +  -

25 DALI:  +  -

26 DALI: qqbar

27 DALI: Table

28 Rappel des processus Diagramme de Feynman

29 Notions de sections efficaces b r Surface bleue = 2  r dr = dσ  r) b d  /db r1 r2 (r1+r2)  (r1+r2) 2 [cm 2 ] - billard (r1 = r2 = 4 cm):  = 201 cm 2 - C12 (r1 = r2 = 1.2 A 1/3 fm = 2.75e-13 cm):  = 23.7e-26 cm 2 Si 1 barn = 1e-24 cm 2 - billard:  = 201e24 barns - C12:  ~ 237 mbarns -  ~ 2 nbarns N k prod =  k [nb] L [nb -1 ] où L (luminosité) dépend du faisceau N k sel = A N k prod = A  k [nb] L [nb -1 ] où A (acceptance) dépend de détection et donc:  k [nb] = N k sel A -1 L -1

30 Calcul des sections efficaces  k [nb] = N k sel A -1 L -1 Δf(x,y) si x et y indépendants: Δf(x,y) = sqrt( (df/dx * Δx) 2 + (df/dy * Δy) 2 )  Δ  k [nb] = N k sel A -1 L -1 sqrt( ( ΔN k sel /N k sel ) 2 + ( ΔA/A ) 2 + ( ΔL/L ) 2 ) - avec  Δ  k sel = sqrt(N k sel ) - pour A = n1/(n1+n2):  ΔA = sqrt( n1n2 / (n1+n2) 3 ) Section efficace en fonction de l'énergie:  (E) =  peak avec  peak ∝ Γ e Γ f / Γ z 2 Γ z = Γ e +Γ  +Γ  +Γ q +Γ inv = 3 Γ  +Γ q +Γ inv et  = ħ/Γ z (temps de vie moyen)

31 Largeurs partielles Moyenne pondérée: avec Γ z /Γ q = 3 Γ  /Γ q +Γ q /Γ q +Γ inv /Γ q = 1 + 3 Γ  /Γ q +Γ inv /Γ q Γ inv /Γ z = Γ inv /Γ q * (Γ q /Γ z ) th Largeurs partielles:

32 Résultats M z0 = 91.188 +- 0.002 GeV Γz0 = 2.495 +- 0.003 GeV