Dispositifs de déclenchement - Définir une centralité

Une des étapes essentielles dans les expériences de collision est de pouvoir décider de la validité des données prises par le détecteur en temps réel. Compte tenu de la fréquence et du nombre de croisements des paquets d’ions dans le détecteur, il faut pouvoir décider des événements à garder ou à rejeter en fonction des besoins que l’on s’était fixés initiale-ment et des capacités d’analyse et de stockage dont on dispose. Les exigences en terme de déclenchement et de sélection d’événements sont d’ordres multiples. Le cas le plus basique est de demander si une collision s’est produite. C’est ce que l’on appelle un déclenchement de biais minimum (minBias). Mais on peut aussi envisager de demander un déclenchement en vue de la sélection de photons, d’électrons ou de jets. Ou encore rejeter toute collision dont la position du vertex primaire n’est pas suffisamment centrée dans le détecteur et ne permet pas une bonne mesure des traces des particules créées lors de la collision par la TPC car elles sortent de son domaine de couverture. Outre le déclenchement, on doit pouvoir disposer également d’une information sur le degré de centralité d’une collision et

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faire des sélections par tranches de centralité.

3.3.2.1 ZDC→Zero Degree Calorimeters (Calorimètres à Zéro Degré)

Une collision inélastique d’ions lourds non centrale s’accompagne de l’émission de pro-tons et neutrons de haute énergie ne participant pas à la collision dans de petits angles (∼2 mrad) par rapport à l’axe du faisceau. La fonction des deux calorimètres hadroniques à zéro degré (ZDC) de RHIC est de détecter les neutrons spectateurs [Adle 00]. L’énergie totale mesurée dans les ZDC est proportionnelle à la multiplicité des neutrons spectateurs qui est corrélée à la géométrie d’un événement (extraction du paramètre d’impact / cen-tralité). De plus, ces détecteurs sont utilisés comme système de déclenchement pour le détecteur STAR. Ils contribuent à la détermination de la luminosité (proportionnelle au nombre de paquets d’ions par faisceau et au nombre d’ions par paquets) et à l’estimation de la centralité de chaque collision.

Les ZDC sont centrés entre les tubes de faisceau à 18 m de part et d’autre du point d’interac-tion et ont une acceptance angulaire de∼2.5 mrad. Comme le montre la figure 3.15 (A), les ZDC se situent juste après les deux dipôles magnétiques DX qui ont pour but premier de focaliser les deux faisceaux d’ions dans un même tube pour provoquer leur collision. Les particules créées éclatent dans le plan transverse de la réaction. Certains des ions lourds n’ayant pas interagi continuent leur chemin et sont à nouveau déviés par l’aimant en sortie cette fois qui les dirige dans un des deux tubes de faisceau. Les nucléons spectateurs de la collision issus des ions qui ont en partie in-teragi sont exploités par les ZDC. Seuls les neutrons non chargés poursuivent leur course le long de l’axe du faisceau et sont mesurés par les ZDC. Les protons, eux, sont déviés par les aimants DX. Cette déviation est schématisée sur la figure 3.15 qui montre un plan en coupe suivant A-A de la position des tubes de faisceau, d’un ZDC et les positions respectives des protons, neutrons et ions d’or. Ces calorimètres hadroniques exploitent l’énergie déposée par lumière Cerenkov émise par les gerbes électroniques et hadroniques nées de l’interaction des neutrons incidents dans le tungstène les constituant. Le rayonnement est traité par des photomultiplicateurs.

Figure 3.15 – (A) Vue en coupe de la région de collision et de l’emplacement des ZDC et (B) représentation schématique en coupe suivant A-A au niveau d’un ZDC montrant les neutrons dans un ZDC, la déflexion subie par les protons et les deux tubes de faisceaux.

Avec une résolution temporelle meilleure que 200 ps, les mesures en coïncidence des ZDC sont utilisées comme dispositif de déclenchement et permettent de déterminer la

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sition du vertex primaire à 3 cm près. L’exploitation de ce détecteur par les quatre expé-riences du RHIC permet d’avoir un contrôle général sur leur bon déroulement, un suivi commun de la luminosité ainsi qu’un moyen de mesure commun du paramètre d’impact.

3.3.2.2 CTB→Central Trigger Barrel (Cylindre central de déclenchement)

STAR peut également sélectionner des événements en temps réel par une mesure de la multiplicité des particules chargées à mi-rapidité. C’est le rôle qui est joué par un en-semble de tuiles scintillantes arrangées en cylindre et constituant le cylindre central de déclenchement (CTB). Dès que les particules chargées créées lors de la collision traversent une tuile du CTB, elles génèrent une lumière scintillante collectée par un photomultipli-cateur qui est ensuite numérisée. L’amplitude du signal de sortie est proportionnelle au nombre de particules ayant traversé la tuile. Ce détecteur est très rapide (∼260 ns) et as-socié au signal de ZDC, il permet de définir la centralité d’un événement et de déclencher uniquement l’enregistrement d’un domaine de centralité donnée. Ce dernier est constitué de 240 lattes de scintillateur plastique. Le CTB de 4m de long, couvre un angle azimutal de0≤ φ≤ 2πet un domaine de pseudorapidité de−1≤ η≤ 1[TrigSTAR 03].

3.3.2.3 Déclenchement et sélection d’événements

• Les niveaux de déclenchement

Le dispositif STAR dispose de plusieurs niveaux dans le système de déclenchement pour lancer, par exemple, l’enregistrement des données. Le premier niveau de déclenche-ment appelé niveau 0 (L0) utilise les ZDC et CTB ainsi que l’horloge interne du RHIC qui détermine la position du paquet d’ions dans les tubes de faisceau. Les collisions de pa-quets d’ions en Au+Au ayant lieu environ toutes les 100 ns. Puis, il faut moins de 200 ns aux ZDC pour transmettre l’information au système électronique. La sélection des événe-mentsminBiasest déclenchée quand il y a coïncidence des signaux mesurés par les ZDC Est et Ouest au-dessus d’un seuil fixé et si ces signaux proviennent du même croisement de paquets d’ions. Le seuil est réglé de façon à pouvoir détecter des neutrons spectateurs individuels. STAR dispose de trois autres niveaux de déclenchement qui utilisent pour le premier, le temps de dérive des électrons dans la TPC (∼40 µs), le deuxième, le temps de digitalisation des données de la TPC (∼8 ms) et le dernier qui peut se produire 10 ms après une collision [TrigSTAR 03].

• Sélection d’un événement : corrélation entre ZDC et CTB

Pour les événementsminBiassélectionnés avec le dispositif ci-dessus, l’efficacité de dé-tection des nucléons va au delà de 99%. En revanche, dans le cas de collisions plus centrales où peu de nucléons spectateurs s’échappent dans les calorimètres, l’efficacité chute. C’est pour cela que l’on utilise, en plus, le CTB dont un fort signal indique une haute multipli-cité à mi-rapidité. Le seuil des ZDC a été réglé de telle sorte que si un seul nucléon touche le calorimètre alors on a un signal acceptable en sortie. Pour les collisions centrales que nous avons analysées dans cette thèse, le seuil du CTB a été réglé de façon à accepter les multiplicités les plus élevées qui représentent environ 10% de toutes les multiplicités.

Sur la figure 3.16, nous avons représenté la corrélation entre la somme des signaux me-surés par les deux ZDC et la multiplicité mesurée par le CTB pour une sélection

d’événe-tel-00011024, version 1 - 17 Nov 2005

Central Trigger Barrel (arb. units)

0 5000 10000 15000 20000 25000

Zero Degree Calorimeter (arb. units)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Figure 3.16 –Distribution de la réponse des ZDC en fonction de celle du CTB pour des collisions Au+AuminBiasà√s_NN= 200 GeV.

mentsminBias. On note : (1) aux fortes multiplicités du CTB correspond un faible nombre de neutrons détectés dans les ZDC, ce qui est caractéristique des collisions centrales ; (2) plus la multiplicité dans le CTB diminue, plus le nombre de neutrons augmente dans les ZDC (collisions de plus en plus périphériques) ; (3) à très basse multiplicité donc à grand paramètre d’impact, le nombre de neutrons détecté dans les ZDC devient également faible car les neutrons se dissocient moins nettement de la portion du noyau n’ayant pas interagi et sont donc déviés par les aimants car entraînés par les protons du noyau.

3.3.2.4 FTPC→Forward Time Projection Chamber

Nous avons pris le parti de décrire les FTPC car nous avons utilisé ces détecteurs pour déterminer le degré de centralité des collisions d+Au. Il ne s’agit pas de la fonction pre-mière de ces détecteurs construits pour augmenter la couverture de l’espace des phases de l’expérience STAR. Elles couvrent un domaine de pseudorapidité de2.5<|η|<4.0de part et d’autre du point d’interaction sur la ligne de faisceau où s’échappe un grand nombre de particules sous un faible angle. Elles permettent de mesurer les impulsions et les taux de production des particules chargées positivement et négativement ainsi que les particules étranges neutres. L’augmentation de l’acceptance de STAR améliore les caractéristiques générales d’un événement et permet d’étudier des systèmes asymétriques de type d+Au.

Le détecteur final est représenté sur la figure 3.17[Schu 99, Acke 04]. C’est une structure cylindrique de 75 cm de diamètre et 120 cm de long remplie d’un mélange gazeux Ar(50%), CO2(50%) avec un champ à dérive radial et des chambres de lecture situées sur 5 anneaux ex-térieurs à la surface cylindrique du détecteur. La configuration à dérive radiale permet la sépa-ration de deux traces dans une région proche de la ligne de faisceau où la multiplicité est plus importante. La cage du champ magnétique est constituée par l’électrode HV interne, un tube de plastique fin métallisé et la paroi extérieure du cylindre mis au potentiel de la terre. Les deux extrémités du cylindre sont fermées par une structure plane d’anneaux concentriques en

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Figure 3.17 –Représentation schématique d’une des deux FTPC du dispositif STAR nium. Une particule chargée traversant les FTPC peut laisser jusqu’à 10 points de mesure ce qui permet de remonter à la trajectoire d’une trace mais également à son identification par la mesure de sa perte d’énergie. Cependant l’identification est plus difficile que dans la TPC car l’impulsion moyenne des particules est plus élevée. Chaque électron issu de l’ionisation du gaz de la chambre dérive jusqu’aux fils d’anode situés sur les chambres de lecture et les signaux induits sont lus par 9600padssur les cathodes adjacentes. Ce concept de TPC est peu commun car les électrons dérivent dans un champ radial perpendiculaire au champ magnétique solénoïdal de STAR. Les chambres de lecture courbes sont utilisées pour garder le champ radial aussi pur que possible.

On attend une séparation à deux traces de 1 à 2 mm, soit une précision d’un ordre de grandeur meilleure que celle obtenue avec des TPC utilisant despadspour la lecture. Nous y revenons dans le paragraphe suivant sur la TPC. En raison du temps de dérive dans le gaz et du temps de collecte du nuage d’électrons provenant d’une trace, relativement longs, un temps de formation d’information de 350 ns est utilisé. L’acquisition se fait à 5 MHz.