Description de l’appareillage

Z0) via leur désintégration muonique. Son domaine de couverture en rapidité est défini positif tel que 2,5<y<4, alors que la pseudo-rapidité respecte l’orien-tation d’ALICE de sorte que -4<η<-2,5. Sa couverture azimutale est de 2π. Une représentation schématique du spectromètre à muons est donnée par la figure 2.6. Ce système est composé de :

- quatre absorbeurs qui ont pour objectif de réduire le bruit de fond indé-sirable,

- un ensemble de 5 stations de trajectographie pour la reconstruction des traces muons,

- un système de déclenchement qui permet la sélection des événements, - un aimant dipolaire nécessaire pour mesurer l’impulsion des muons. Nous allons dans cette section tout d’abord décrire les différentes parties de ce détecteur avant de développer l’aspect des simulations et l’évaluation de leurs incertitudes systématiques associées.

2.3.1 Description de l’appareillage

Absorbeurs

Les particules produites lors d’une collision d’ions lourds peuvent interagir avec les détecteurs du spectromètre à muons en introduisant un bruit de fond et un taux d’occupation des chambres important. Le but des absorbeurs est alors de sélectionner uniquement des muons en absorbant les autres types de particules. Cette méthode repose sur la très faible section efficace d’interac-tion des muons avec la matière. Les épaisseurs ainsi que le choix des matériaux constituant les absorbeurs doivent être optimisés pour ne pas dégrader la qua-lité du signal et en particulier la résolution en masse invariante du détecteur.

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Un tel jeu d’absorbeurs introduit une coupure de 4 GeV/c sur l’impulsion to-tale des muons au niveau des chambres de déclenchement. Les absorbeurs sont les suivants :

L’absorbeur frontal consiste en un cône d’absorption situé à l’intérieur de

l’aimant L3 à une distance de 90 cm du point d’interaction et d’une longueur de 4,13 m. Il a pour but d’atténuer le flux de hadrons émis dans l’acceptance du spectromètre. Sa composition a été étudiée pour avoir une faible longueur d’interaction permettant ainsi d’arrêter les pions et kaons issus de la colli-sion le plus tôt possible, puis de “ralentir” au maximum les muons issus de leur décroissance (principale source du bruit de fond) ainsi que les produits d’interaction particules-matière. Néanmoins, cette longueur d’interaction est suffisamment grande pour ne pas trop altérer la trajectoire des muons issus des saveurs lourdes et donc la résolution en masse des résonances. Il protège également les détecteurs de la partie centrale des particules secondaires pro-duites dans l’absorbeur lui-même.

Figure 2.7 – Vue en coupe de l’absorbeur frontale du spectromètre à muons du détecteur ALICE.

Dans la partie proche de l’ITS le cône est composé de matériaux de faible numéro atomique (carbone, béton) afin de minimiser la perte d’énergie et la diffusion multiple de muons. La partie arrière est une succession de couches de plomb et de polyéthylène boré (éléments de masse atomique élevée) qui per-mettent d’absorber respectivement les photons et les neutrons de basse éner-gie. La couche externe de l’absorbeur est enrobée avec des matériaux denses (plomb et polyéthylène boré) dans le but de protéger la TPC des particules rétro-diffusées. La couche interne (2◦<θ<3◦) est faite de plomb et de tungstène pour limiter la contamination des particules issues d’interactions faisceau-gaz. La figure 2.7 représente la structure de l’absorbeur frontale et ses dimensions.

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Figure2.8 – Vue en coupe du blindage du tube faisceau au niveau du spectromètre à muons du détecteur ALICE.

Le blindage du tube faisceau enveloppe la ligne du faisceau et s’étend sur

toute la longueur du spectromètre à muons comme illustré sur la figure 2.8. Il permet de protéger les détecteurs des particules produites à grande rapidité ainsi que celles issues d’interactions faisceau-gaz. Il est composé de matériaux denses tels que le tungstène, le plomb et l’acier.

Le filtre à muons de 1,2 m d’épaisseur en alliage de fer est intercalé entre

la dernière chambre de trajectographie et la première chambre de déclenche-ment. Sa fonction est d’arrêter les particules énergétiques (pions, kaons, etc) qui ont traversées l’absorbeur frontal. Comme il est placé après les chambres de trajectographie il n’a aucun effet sur la résolution en masse. L’impulsion moyenne minimum pour qu’une particule atteigne le déclencheur muon après le filtre à muons est de ∼ 4 GeV/c.

L’absorbeur arrière permet d’éliminer le bruit de fond du LHC provenant

des interactions faisceau-gaz. L’intensité de ce signal est proportionnel à la luminosité des faisceaux. Il s’agit d’un mur de fer carré de 1,1 m de côté et de 1 m d’épaisseur installé derrière les chambres de déclenchement.

Dipôle

L’aimant dipolaire est un élément essentiel du spectromètre puisqu’il permet de mesurer l’impulsion des muons. Positionné à 7 mètres du point d’interac-tion, juste à coté de l’aimant solénoïdal L3, il fournit un champ magnétique intégré en z de 3 T.m afin d’obtenir une résolution spatiale inférieure à 100 µm pour distinguer les résonances upsilon 1S, 2S et 3S (M∼10 GeV/c2). C’est un aimant de type résistif (chaud) fonctionnant à température ambiante, consti-tué de bobines traversées par un courant continu et refroidit par eau. Le champ magnétique produit n’étant pas homogène, il a été nécessaire de le cartogra-phier avant sa mise en service. La direction du champ magnétique produit est horizontal et perpendiculaire à l’axe du faisceau. La trajectoire des muons qui émergent de l’absorbeur est ainsi courbée dans le plan vertical appelé ben-ding plane. Le non-bending plane est perpendiculaire à ce dernier et parallèle à l’axe du faisceau. À partir du rayon de courbure ρ et de la valeur du champ magnétique B, l’impulsion p des muons est donnée par : p = 0, 3 B ρ GeV/c.

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Trajectographe

Le système de trajectographie est composé de 5 stations de détection, cha-cune composées de deux plans identiques de détection (appelés chambres). Ces plans sont pavés par des chambres à fils à cathodes segmentées. Les dimensions des plans sont plus grandes que l’acceptance du spectromètre afin de prendre en compte les effets du champ magnétique et de bords. Les deux premières stations sont situées respectivement à 5,4 m et 6,8 m du point d’interaction. La station 3, placée à l’intérieur du dipôle, est à une distance de 9,7 m. Enfin, les deux dernières stations sont situées à 12,65 m et 14,25 m de l’IP.

Figure2.9 – Principe de fonctionnement d’une chambre à fils à cathodes segmen-tées.

Une chambre à fils, schématisée sur la figure 2.9, est composée d’un plan de fils (anode) inséré entre deux plans de cathodes reliés à la masse. Les fils sous haute tension (∼1650 V) engendre un champ électrique à l’intérieur de la chambre qui contient un mélange gazeux (80% Ar et 20% CO2). Lorsqu’une particule chargée traverse le milieu gazeux, des paires électron-ion dites pri-maires sont créées par ionisation. Sous l’action du champ électrique les charges libérées dérivent, les électrons sont attirés par les fils d’anode et les ions migrent vers la cathode. Au voisinage de l’anode, où le champ électrique est intense, les électrons subissent une accélération et peuvent ioniser de nouveau le gaz (effet d’avalanche) en libérant des électrons dits secondaires. Ainsi, les charges produites par le passage d’une particule induisent un signal positif sur les ca-thodes segmentées en pads. Ce signal est ensuite traité afin de pouvoir localiser le point de passage de la particule.

Déclencheur muon

Le système de déclenchement du spectromètre à muons est constitué de quatre chambres de détection de type RPC (Resistive Plate Chamber). Ces chambres se composent de deux plaques résistives de bakélite, de feuilles de graphite alimentées en hautes tensions et de bandes de lecture suivant x ety disposant d’un total de 21 000 voies. Le temps de réponse du déclencheur muon est de l’ordre de 20 ns avec une montée du signal d’une durée de 2 ns. Le flux maximum de particules au niveau des chambres de déclenchement est de 3 Hz.cm−2 lors de collision Pb-Pb, pour un taux d’occupation maximum de