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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) .

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Presentation Transcript
slide1

THESE DE DOCTORAT :

Ahmed HADJ HENNI

hadjheni@subatech.in2p3.fr

Isolation des photons de grande impulsion transverse dans les collisions proton+proton à

slide2

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.

slide3

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

slide4

Scénario d’une collision.

hadronic phase

and freeze-out

QGP and

hydrodynamic expansion

initial state

pre-equilibrium

hadronization

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 :

slide5

Les photons comme sonde du Plasma.

g directs

pT (GeV/c)

Processus durs

(jets)

Photons thermiques

4,0

p0, , etc...

Gaz de partons (QGP)

Gaz hadronique

t (fm/c)

1,0

107

1

10

100

g décroissances

Essentiellement issus des mésons

Rayonnement thermique du QGP

à bas pt ( non encore observé ).

Processus partoniques durs :

Annihilation + Compton

slide6

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.

slide7

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.

slide8

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)

slide9

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

slide10

Scintillateurs à Plomb (PbSc)

- 15552 tours individuelles

Verre au plomb (PbGl)

- 9216 tours individuelles

Une segmentation fine du calorimetre :

Permet de distinguer 2 photons d’un 0 jusqu’à pT~25GeV/c

EMCal: ElectroMagnetic Calorimeter

Acceptance :

|| < 0.375 ; D= 90º x 2

5m

24768 tours

slide11

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.

slide12

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 »
slide13

Cinématique de décroissance du :

Dans le référentiel du laboratoire:

facteur d’asymétrie en énergie:

angle relatif entre les deux photons:

slide14

Conditions réelles :

1.Restriction du domaine du facteur d’asymétrie

due à l ’acceptance limitée d ’EMCalintroduction 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):

slide15

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

slide16

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.

slide17

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.

slide18

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.

slide19

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.

slide20

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...

slide21

Mesure de la production de photons inclusifs .

Pt transition 3.5 GeV/c

Spectres bruts renormalisés MB et G3

slide22

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

slide23

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%

slide24

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.

slide25

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

slide26

Efficacite de reconstruction et acceptance.

Tenir compte de l’effet de

recouvrement à haut pt.

~ 0.17

Pt (GeV/c)

Pt (GeV/c)

slide27

biais de déclenchement BBC.

0.765 +- 2.124e-03

pt GeV

slide28

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.

slide29

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.

slide30

Détermination des photons directs

Rappel :

Première étape détermination de :

Et :

Avec :

données

simulation

Deuxième étape détermination de :

simulation

slide31

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.

slide32

Calcul de

Rapport des spectres photons isolés sur photons candidats pour différentes

coupures en asymétrie, estimé par une simulation Monte Carlo.

slide33

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

slide34

Calcul de

Rapport des spectres photons isolés sur photons candidats pour différentes

coupures en asymétrie pour les données CampagneIII p+p à 200 GeV.

slide35

Calcul de

Excès de photons directs pour différentes coupures en asymétrie.

slide36

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.

slide37

Calcul de

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

slide38

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.

slide39

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.

slide40

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)

slide41

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.

slide42

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.

slide44

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.

slide46

Excès donnés par hep-ex/0609031

Excès donnés par SICA :

slide47

Fragmentation

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