Mesure de la densité de particules chargées en collision Pb-Pb à 2.76 TeV par nucléon dans l’expérience ALICE au LHC Maxime Guilbaud JRJC 08/12/2011 1.

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1 Mesure de la densité de particules chargées en collision Pb-Pb à 2.76 TeV par nucléon dans l’expérience ALICE au LHC Maxime Guilbaud JRJC 08/12/2011 1 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

2 Plan  Le Plasma de Quarks et Gluons (PQG).  Les collisions d’ions lourds en théorie.  Le Large Hadron Collider (LHC) et la faisceaulogie.  L’expérience A Large Ion Collider Experiment (ALICE).  Mesure de la densité de particules chargées. 2 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

3 Plasma de Quarks et Gluons 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud 3

4 Diagramme de phase et confinement  Le confinement dans les hadrons et mésons.  La liberté asymptotique.  Le diagramme de phase: transition vers une phase de plasma  Etude et mode de production: - Premier instant de l’Univers: Big Bang; - Cœur des étoiles à neutrons; - Collisions d’ions lourds. 4 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

5 PQG: détection et signatures  Où observer le PQG? - 1 s après le Big Bang - Au cœur des étoiles neutrons - En collision d’ions lourds  Etude de ‘traces’ de l’existence d’une phase de plasma: - Jet-Quenching - Fonte du J/ψ et de ses résonances - Augmentation de l’étrangeté - Anisotropie du flot de particules 5 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

6 Collisions d’ions lourds en théorie 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud 6

7 Histoire de la collision État initial Pb 0 fm/c Pré-équilibre QGP ? En équilibre ? Thermalisé ? 2 fm/c Freeze-out chimique Temps Freeze-out thermique 7 fm/c Hadronisation 7  Temps de vie du plasma faible  Pas accessible de façon directe à l’observation 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

8 Modèle de Glauber 8  Modèle de Glauber: - Décrit les collisions d’ions lourds; - Distribution de la densité de nucléons dans un potentiel de type Wood-Saxon: - Le paramètre d’impacte traduit la centralité de la collision.  Le recouvrement entre les deux noyaux permet de définir deux paramètres: Npart et Ncoll  Npart: - Nombre de nucléons participant a la collision; - Proportionnel a la charge déposée dans le détecteur.  Ncoll: - Nombre de collision binaire lors de la collision; - Directement lié a Npart par une loi de puissance. 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

9 Le LHC et la faisceaulogie 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud 9

10 Le Large Hadron Collider (LHC) 10  Anneau de 26.7 km de circonférence 100 m sous terre  2010 : 2 modes de fonctionnement : collisions pp à √s = 7 TeV (8 mois par an) *énergie nominale 14TeV* collisions Pb-Pb à √s NN = 2.76 TeV (1 mois/an) *énergie nominale 5.5 TeV*  6 expériences : ATLAS, ALICE, CMS, LHCb, TOTEM, LHCf;  RF du LHC : 400 MHz soit 2.5 ns;  Un bunch tous les 200 ns en Pb-Pb. 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

11 Structure d’un faisceau au LHC 11  Plusieurs sources de pertes lors du remplissage: - Perte de faisceau; - Faisceau remplie dans un mauvais bucket.  Création de collisions satellites dans les différentes expériences du LHC 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

12 L’expérience ALICE 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud 12

13 Acceptance du tonneau central : 0 < ϕ < 2π |η| < 0.9 Acceptance du spectromètre à muons : 0 < ϕ < 2π -4 < η < -2.5 Détecteurs centraux : Inner Tracking System Time projection Chamber Time-of-Flight Transition Radiation Detector Spectromètres : High Momentum PID Photon Multiplicity Forward Multiplicity Muon spectrometer Calorimètres : EM Calorimeter Photon Spectrometer ZDC Déclencheurs : SPD (pixels) V0A + V0C (scintillateurs) Trigger muon Le détecteur 13 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

14 Le VZERO 14  2 disques de plastique scintillant: - 4 anneaux divises en 8 éléments scintillants chacun; - lumière générée par les particules chargées qui traverse le détecteur envoyée vers des PM; - Un PM par élément soit 32 voies d’acquisition.  A quoi sert ce bout de plastique? - Trigger de niveau L0; - Mesure de la luminosité; - Mesure physique : densité de particules chargées, flow de particules … 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

15 Mesure de la densité de particules primaires chargées 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud 15

16 Utilisation des collisions satellites θ θ Zvtx VZERO-A Vertex d’interaction 16  La couverture en angle du VZERO varie avec la position du point (IP) d’interaction;  L’ étude des vertex satellite permet d’ étendre la couverture du détecteur;  η = ln[ tan(θ/2) ], aux énergies du LHC η ∼ y, ou y est la rapidité du faisceau;  Pour certaines positions de l’IP la couverture en pseudo-rapidité du VZERO est la même que celle qu’un sous détecteur de l’ITS, le SPD;  On peut calibrer la réponse du VZERO sur la densité de particule charge mesuré par le SPD. 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

17 Sélection sur la centralité des évènement 17  La sélection en centralité ne peut se faire avec le VZERO car la réponse du détecteur est très sensible a la position de l’IP;  Le ZDC est situé loin du point d’interaction ( environ 100 m). On utilise donc ce détecteur pour la déterminer la centralité des collisions;  Cette estimateur ne fonctionne que pour les évènements les plus centraux. 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

18 Sélection des évènement par vertex d’interaction  La bonne résolution en temps du ZDC permet de sélectionner les évènements provenant des différents vertex;  Les cercles rouges (bleu) sont des collisions entre un bunch satellite du premier faisceau provenant du côté A (C) et un bunch nominal de l’autre faisceau;  Seul les évènements en rouge seront utilisées dans la suite car les évènements en bleu arrivent soit trop tôt soit trop tard sur le détecteur pour que la charge déposée soit totalement collectée. 18 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

19 Simulation Monte Carlo  La réponse du VZERO est linéaire avec le nombre de particules primaires chargées produite lors de la collision : A = α.N ch  On détermine le coefficient α par simulation. 19 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

20 La distribution en densité 20 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud  Les fluctuations à une même pseudo- rapidité donnent une estimation sur l’erreur systématique liée cette calibration.  On combine statistiquement chaque point.  Un bon accord entre SPD tracklet, VZERO et les mesures publiée par ALICE pour un gamme en pseudo-rapidité comprise entre -0.5 et 0.5.  Forme attendue de la distribution. Work in progress

21 Comparaison des résultats 21 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud  Quelques désaccords entre les différents détecteurs d’ALICE restent à comprendre: - Simulation du détecteur pas assez réaliste; - Problème(s) dans le transport (GEANT3).  Bon accord ALICE-CMS(-ATLAS) pour les évènements les plus centraux. Work in progress

22 Evolution de la densité en fonction du nombre de participants 22 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud  Augmentation du nombre de particules chargées par paires de participants en fonction du nombre de participants ( = centralité ).  Comportement équivalent quelque soit la pseudo-rapidité. Work in progress

23 Nombre totale de particules chargées 23 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud Work in progress (2) (4) Fonction trapèze (1) (3)

24  Les différentes méthodes donnent des résultats consistants;  La méthode du trapèze donne cependant une valeur systématiquement plus basse.  On choisi la méthode 2 pour son bon χ 2 et son nombre de paramètres de fit limité.  Les 3% d’erreurs systématiques sur l’extrapolation sont ajoutées aux barres d’erreurs  Le rapport des mesures données par les méthodes 2,3,4 et la méthode du trapèze est proche de 1;  L’erreur systématique sur l’extrapolation est estimée à 3% Nombre totale de particules chargées 24 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud  L’évolution du nombre totale de particules chargées en fonction du nombre de participants est croissante;  Les expériences précédentes trouve une valeurs constante pour ces centralités. Work in progress

25 Conclusion  La statistique peut encore être améliorée avec les données de 2011  Les divergences entre les différents détecteurs d’ALICE doivent être comprises : Nouvelle simulation avec un propagateur diffèrent de GEANT3 Nouvelle simulation plus réaliste au niveau de la géométrie d’ALICE 25 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud

26 Questions ??? 7/12/2011JRJC - Maxime Guilbaud 26