Plan

1. Séminaire 2ième année : Laure MassacrierLe spectromètre à muons de l’expérience ALICE auprès du LHC : étude d’un trajectographe en pixels de Si et analyse des données à 7 TeVthèse effectuée sous la direction de L.Ducroux et co-direction de R.Tieulent

2. Plan • Introduction au plasma de quarks gluons • Le LHC, ALICE, le spectromètre à muons • Un trajectographe en pixels de Si pour le spectromètre • Simulations et premières données dimuons à 7 TeV

3. Introduction au plasma de quarks gluons

4. Particules fondamentales découvertes à ce jour : Les fermions : 3 familles 6 quarks (6 antiquarks) 6 leptons (6 antileptons) Etat des lieux de la physique des particules Les bosons :  Le photon  W± , Z  gluons

5. Caractéristiques de la QCD (chromodynamique quantique) • Décrit l’interaction forte : cohésion inter-quark • Charges de couleurs • 8 gluons • Petite distance  liberté asymptotique • Grande distance  confinement Pas de quarks libres! mais … S.Bethke, Prog. Part. Nucl. Phys. 58 (2007) 351

6. Le plasma de quarks gluons (QGP) • Sonder le diagramme des phases de la matière nucléaire • Augmentation de la densité baryonique et de la température pour attendre la transition de phase vers un état QGP • Questions ouvertes : • Équation d état de la matière nucléaire? • Nature de la transition de phase? • Restauration de la symétrie chirale ? Etat de la matière où quarks et gluons ne sont plus confinés dans les hadrons

7. 0 fm/c 7 fm/c Pré-équilibre État initial 2 fm/c QGP ? Temps Effets collectifs En équilibre ? Thermalisé? Pb Pb Freeze-out chimique Freeze-out thermique Les collisions A-A de haute énergie pour recréer le QGP en laboratoire Interactions des hadrons Hadronisation • Temps de vie du plasma faible • Pas accessible de façon directe à l’observation

8. Comment mettre en évidence le QGP Une accumulation de plusieurs signatures • Suppression des résonances de quarkonias (dans le QGP, l’écrantage par les charges de couleur libres empêche la formation des paires cc et bb) • Flot elliptique : anisotropie selon ϕ …… Ce qui m’intéressera plus particulièrement dans ma thèse : • Etude des résonances de basses masses ρ, ω, ϕ dans le canal de désintégration dileptonique (dimuon)  Intérêt : particules à faible durée de vie, modification du spectre et du taux de production par le milieu chaud • Elargissement de la fonction spectrale? • Méson ρ : restauration de la symétrie chirale • - Méson ϕ : augmentation de la production de particules étranges? C.Amsler et al [PDG] « Review of particle physics » Phys Lett C 667 (2008) 1

9. Le LHC, ALICE, le spectromètre à muons

10. Le LHC • Le plus grand accelérateur de particules jamais construit : • 27 km de circonférence • 1200 aimants supraconducteurs • Collisions p-p à 7 TeV depuis le • 31 mars 2010 • Collisions Pb-Pb à 2.75 TeV par nucléons fin 2010 • 4 expériences principales : ATLAS, CMS, LHCb, ALICE

11. 200 millions d’événements enregistrés 170 millions d’événements de biais minimum 4 millions d’événements contenant au moins un muon 80 % d’efficacité de prise de données

12. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Un tonneau central (identification des hadrons, électrons, photons) et le spectromètre à muons L3 champ magnétique solénoïdal : 0.5 T De nombreux sous détecteurs : ITS, TPC, PHOS, les détecteurs à petits angles (ZDC,V0,FMD)

13. Le spectromètre à muons • Couverture en pseudo-rapidité : -4 < η < -2.5 • Constitué de 4 parties principales : • Un absorbeur de 4m en tungstene, acier, Pb + mur de fer • L’aimant dipolaire : 0.7 T • Les chambres de trajectographies : 10 plans de détection répartis en 5 stations. Chambres proportionnelles multi-fils à cathodes segmentées (80% d’Ar, 20% CO2) • Les chambres de déclenchement : 4 chambres dans 2 stations, chambres à plaques résistives (RPC)

14. Etude d’un trajectographe en pixels de Si

15. Schéma de principe Muon Autre Déclenchement et trajectographie muon Expérience NA50 Champ magnétique cible faisceau Perte d’énergie Diffusion multiple Absorbeur hadronique ou ? • Un flou au niveau du point d’interaction • Dégradation de la résolution en masse

16. Passage à NA60 : ajout d’un trajectographe en pixels de Si Muon Autre Aimant dipolaire 2.5 T Déclenchement et trajectographie des muons Trajectographe Pixels Si Champ magnétique cibles hadron absorber Association des traces selon leurs coordonnées et leurs impulsions Notion de surface de recherche ou ! • Meilleure précision sur le vertex • Meilleure résolution en masse

17. Motivations physiques • Amélioration de la résolution en masse des dimuons attendue Résultats de l’expérience NA60 (70MeV 20 MeV) • Mesure de la multiplicité à l’avant de l’absorbeur • Amélioration du rapport signal sur bruit (rejet des désintégrations  et K) • Séparation des contributions de la beauté et du charme ouvert (famille des mésons contenant respectivement un seul quark (ou anti-quark) b ou c) des contributions des dimuons dits prompts (J/(cc) et (bb)) : détermination de l’offset (ou DCA) Sans pixels Avec pixels sM = 70 MeV sM = 20 MeV

18. Définition de l’offset ou DCA (distance of closest approach) : distance entre l’extrapolation de la trace muon jusqu’au point d’interaction et le point d’interaction, mesurée dans le plan transverse (X,Y) Y Trace muon extrapolée En ZIP Y DCA X Z X vertex Offset (m) 0 100 200 300 400 500 600 700 Markus Keil, CERN, For the NA60 collaboration

19. Faisabilité dans ALICE ? • Le champ est faible (0.5T valeur maximale) et dirigé selon l’axe Z. • Quelle est la multiplicité à l’avant de l’absorbeur ? Peut on associer les traces provenant du spectromètre avec celles provenant du télescope ? • Quel est l’influence du tuyau sur la multiplicité à l’avant de l’absorbeur ? • Est ce que le bras de levier induit par la distance qui sépare le 1er plan de pixel du point d’interaction est important ? • Y a t’il suffisamment de place dans ALICE pour insérer les plans de pixels ?

20. Focus sur le tonneau central et implantation des plans 5 pixels planes Nécessité d’enlever le T0 et le FMD T0 : 12 compteurs Cerenkov Le T0 mesure l’instant de la collision avec une précision de 50 ps FMD : 5 disques faits en piste de Si. Mesure la distribution des particules chargées dans une région complémentaire au tonneau central Alice Technical Design Report

21. Caractéristiques des plans 5 plans de pixels dans ALIROOT Epaisseur des plans de 750 μm dans les premières études θ entre 2° and 9° : acceptance du spectromètre Diminution du rayon du tube faisceau (de 2.98cm à 1.8cm) pour pouvoir couvrir à partir de 2° dans le 1er plan

22. Influence du champ et de l’absorbeur sur les muons Un mouvement essentiellement en rϕ  cercle dans le plan (X,Y) Pixels de petite taille Difficile détermination de l’impulsion par une trajectographie indépendante pixels Avec contrainte au vertex : Rayon de recherche pour les candidats ~ 3mm en moyenne Sans contrainte au vertex : rayon de l’ordre du cm Quand Pt augmente le rayon diminue 40 cm spectro

23. Etude de multiplicité : Influence du tube faisceau Rayon externe du tube 0.8 mm Rayon interne du tube Les particules peuvent traverser jusqu’à 23 mm de béryllium à faible angle. Proposition d’une géométrie conique pour réduire les interactions avec la matière du tube faisceau

24. Tuyau cylindrique Tuyau conique Particules primaires : particules provenant de l’interaction et leurs produits de désintégration Particules secondaires : particules provenant de l’interaction des particules primaires avec la matière du détecteur (principalement tube faisceau et absorbeur) Without pipe Conical pipe Cylinder-shape pipe

25. Résolution au vertex et mesure de l’offset • Simulation de particules upsilon : • Muons prompts générés à la position (0,0,0) sans erreur sur la position • Pixels de 10μm ×10μm et 50μm d’épaisseur • Méthode de tracking : • Reconstruction basée sur les outils développés pour le spectromètre à muons. Prolongation du tracking jusqu’aux clusters des plans de pixels (filtre de Kalman+ fonction d’extrapolations) • Hypothèse de tracking : • Faibles taux d’occupation : digits =clusters • Tracking et matching 100% efficace : utilisation de l’identifiant MONTE CARLO pour trouver les bons clusters • Un cluster doit exister dans chaque plan 50 μm × 50 μm 100 μm × 100 μm

26. Résolution au vertex sur les coordonnées X et Y : 12μm pour une simulation d’upsilon et avec un tuyau conique  En accord avec le calcul d’erreur donné par le filtre de Kalman en prenant en compte les effets de matière Error on X coordinate given by Kalman filter (μm)

27. La résolution au vertex dépend de l’impulsion : de 10 μm à haute impulsion à 36 μm à basse impulsion Introduction d’un offset pondéré pour essayer de corriger la dépendance en impulsion Δx et Δy sont les différences entre les coordonnées transverses au vertex du muon extrapolé avec les coordonnées du vertex V-1 est l’inverse de la matrice d’erreur qui prend en compte l’erreur sur les coordonnées du vertex et l’erreur sur les variables cinématiques du muon reconstruit On peut définir un offset pour le dimuon :

28. Muon d’un ϕ Muon d’un D Muon d’un B Offset (μm) DCA (cm) Diego Stocco; présentation LPC Clermont, 4 mars 2010 Mesure effectuée par le spectromètre seul Mesure spectromètre + pixels

29. Dimuon d’un J/ψ Muon d’un ϕ Muon d’un J/Ψ Dimuon d’un ϕ Dimuon d’une paire DD Muon d’un D Muon d’un D Dimuon d’une paire DD Dimuon d’une paire BB Muon d’un B Muon d’un B Dimuon d’une paire BB

30. Résolution des spectres en masse invariante Dans l’hypothèse d’un tracking et d’une association des traces 100% efficace Pas d’amélioration de P et Pt, la valeur de l’impulsion est donnée par le spectromètre Amélioration de l’angle entre les impulsions des muons issus de la désintégration Improvement of P resolution with telescope (%) spectro pixels P1 P θ P2

31. spectro Amélioration du spectre en masse pour toutes les résonances Spectro + pixels

32. Méthode d’association des traces Différentes façon de sélectionner les muons que l’on cherche à associer (principalement pour réduire le nombre de candidats finaux) : • matcher le trigger du spectromètre (intéressant en Pb-Pb pour rejeter les hadrons qui arrivent jusque dans le spectromètre) • coupure en Pt > 0.5 GeV/c pour rejeter les muons célibataires • coupure sur la position du muon à la sortie de l’absorbeur (en dessous de 3 degrés)

33. Méthode pour rejeter les π et K qui se désintègrent dans les plans ou dans l’absorbeur Sans Branson Sans Branson Avec Branson Avec Branson Bruit de fond signal • Dans le 5ième plan 2 zones de recherche des candidats : • Extrapolation sans l’hypothèse de Branson : zone importante due à la diffusion multiple • Extrapolation avec Branson : trace qui vient du vertex avec une certaine erreur sur la position  L’erreur sur le vertex doit être suffisamment grande pour contenir le signal, mais suffisamment petite pour rejeter le bruit de fond des π et K

34. Tests très préliminaires!!! • Une bonne action des coupures sur le nombre de candidats • il faut moins de 2 candidats • Possibilité de durcissement des coupures • multiplicité Pb-Pb périphérique ~ Ca-Ca ~ p-A

35. Simulations et premières données dimuons à 7 TeV

36. Nombre moyen de ρ, ω, ϕ produits par collision à 7 TeV (pythia) ω ϕ ρ Valeurs à 14 TeV extraites de la thèse de F.Nendaz Valeurs à 5.5 TeV extraites de la thèse de B.Rapp

37. Spectre en rapidité, pseudo-rapidité, P et Pt ϕ ϕ ω ω

38. ρ généré ρ reconstruit ρ : pic moins prononcé, petite augmentation de la largeur ω généré ω reconstruit ω : augmentation du pic plus importante. Contribution de la désintégration à 3 corps ωπ0μ+μ-

39. ϕ généré ϕ reconstruit ϕ : grande augmentation de la largeur du pic

40. spectre dN/dPt reconstruit ρ ρ Scenario à 1 mois et 3 mois de prise de données. Luminosité : 2.3×1029 cm-2 s-1 efficacité du LHC : 12% Seuil en Pt pour le ρ (erreur statistique inférieure à 10%) pour un mois de prise de données : 4 GeV/c, pour 3 mois de prise de données : 5.2 GeV/c Pour le ω : 1 mois : 4.8 GeV/c , 3 mois : 6 GeV/c Pour le ϕ : 1 mois : 3.6 GeV/c , 3 mois : 4.8 GeV/c

41. Premier spectre en masse invariante officiel sur les données à 7 TeV!!! R.Arnaldi , pwg3 meeting

42. Conclusion • Les performances physiques attendues du télescope ont été montrée : une résolution au vertex pouvant atteindre 12 μm, une amélioration importante de la résolution en masse de toutes les résonances En cours : - performances du matching - simulations avec des pixels de 20 μm×20 μm, 150 μm d’épaisseur - effets de l’incertitude sur le vertex (smearing) - influence d’une structure de maintien du télescope  • Les premières données à 7 TeV sont en cours d’analyse • Des simulation avec un cocktail de muons sont réalisées afin de faire une première comparaison avec les données Groupe ALICE Clermont-Ferrand

43. Merci de votre attention

44. Back up : Filtre de Kalman • Reconstruction basée sur les outils développés pour le spectromètre à muons. Utilisation de la fonction d’extrapolation d’une trace dans un champ magnétique (prise en compte des phénomènes physiques à la traversée de matière) Filtre de Kalman Paramétrisation en hélice Plusieurs segments d’hélice Chaque segment à ses propres paramètres Une hélice Un seul jeu de paramètres

45. Nécessité d’une bonne résolution en r pour observer le déplacement induit par le champ magnétique! r Y R r d  r ’ X

46. Tests très préliminaires!!!