Violation de CP et LHCb
9.2 LHC et LHCb
9.2.5 Le d´ etecteur de muons
Il est constitu´e de cinq chambres instrument´ees en alternance avec des boucliers de fer servant de filtres `a muons [129]. Le premier est constitu´e par le syst`eme de
calorim`etres et les trois autres par de simples blocs de m´etaux lourds dont le seul but est d’arrˆeter les hadrons qui pourraient les traverser. Les muons de plus de 5 GeV d’´energie pourront atteindre la derni`ere chambre. Deux technologies diff´erentes devraient ˆetre utilis´ees pour ces chambres, l’une sp´ecialement con¸cue pour les r´egions `
a petit angle fortement irradi´ees, o`u le taux attendu devrait d´epasser 5 kHz/cm2, `a base de CPC (Cathode Pad Chambers) et l’autre qui couvrira la plupart de l’espace `
a l’aide de MRPC (Multigap Resistive Plate Chambers).
Il permet l’identification des muons et il est utilis´e d`es le premier niveau de d´eclenchement.
9.2.6 Le syst`eme de d´eclenchement
A LHC, la fr´equence de collision sera de 40 MHz. Toutefois, certains croisements de faisceaux impliqueront des paquets de particules vides, r´eduisant la fr´equence moyenne de collisions r´eelles `a 30 MHz. Comme d´ej`a mentionn´e, LHCb fait le choix de fonctionner `a une luminosit´e r´eduite afin d’avoir un seul ´ev´enement produit par interaction. Mˆeme `a la luminosit´e choisie, de 2 1032 cm−2s−1, la probabilit´e d’avoir des interactions multiples n’est pas n´egligeable ; seuls 30 % des croisements de fais-ceaux ne produisent qu’une seule interaction proton-proton. A ce taux l`a, on attend tout de mˆeme environ 1014 ´ev´enements produits dont 0,5 % paires de b¯b par an.
Bien plus que ce qu’on peut imaginer pouvoir traiter. Parmi ces ´ev´enements, il est donc indispensable de pouvoir s´electionner non seulement les ´ev´enements b¯b
pro-duits, mais ´egalement uniquement les plus int´eressants pour les ´etudes envisag´ees. LHCb doit donc disposer d’un syst`eme de d´eclenchement performant, qui soit `a la fois rapide, efficace et s´electif.
Les principales caract´eristiques du syst`eme de d´eclenchement sont donn´ees dans le tableau 9.3. Il est robuste, flexible et bien ´equilibr´e entre les diff´erents niveaux. Le point d’op´eration pr´ecis peut ˆetre ajust´e suivant les conditions d’exp´erience sans perte significative en physique. Particularit´e de LHCb, il dispose d’un syst`eme de d´eclenchement sur les hadrons. L’efficacit´e globale de ce d´eclenchement dans ces modes est comparable `a celle obtenue dans les autres chaˆınes de d´esint´egration des hadrons beaux comprenant des leptons, voisine de 30%. Une puret´e moyenne en b de l’ordre de 30% est attendue.
Pour r´ealiser cette tˆache, quatre niveaux successifs de d´eclenchement ont ´et´e d´efinis. Dans la collaboration, le premier niveau est appel´e niveau 0.
Niveau latence facteur de r´eduction taux de sortie
0 4 µs 10 1 MHz
1 1024 µs 25 40 kHz
2 10 ms 8 5 kHz
3 200 ms 25 200 Hz
Le syst`eme de d´eclenchement de premier niveau : Il doit ˆetre tr`es rapide et ne pas entraˆıner de temps mort. Toutes les 25 ns, il doit donc d´ecider de l’opportunit´e d’analyser plus avant l’´ev´enement issu de la collision. Il a deux fonctions principales : – Rejeter les ´ev´enements multiples lors d’une collision. Ceci est r´ealis´e `a l’aide d’une partie du syst`eme du d´etecteur de vertex. Comme d´ecrit pr´ec´edemment, le d´etecteur de vertex comporte deux disques de silicium, plac´es en amont du d´etecteur de vertex proprement dit, d´edi´es `a reconstruire la position longitudi-nale des vertex d’interactions. Ce syst`eme sera nomm´e d´etecteur d’empilement. Les ´ev´enements ayant plus d’un vertex reconstruit pourront ˆetre rejet´es. – Rejeter les ´ev´enements qui ne contiennent pas de hadrons beaux. Les
ca-ract´eristiques principales des hadrons beaux, d´ej`a d´ecrites au chapitre 5, vont permettre de les diff´erencier. En raison de la masse ´elev´ee des hadrons beaux, les particules issues de leurs d´esint´egrations auront en moyenne une impulsion transverse plus grande que celle des particules produites lors des interactions proton-proton in´elastiques (souvent appel´es “´ev´enements minimum bias”). Le rapport d’embranchement semileptonique des hadrons beaux est important,
B(b → ) 10%, de nombreux ´electrons et muons de grand pT seront donc pr´esents. Les d´etecteurs les plus rapides, calorim`etres et chambres `a muons, vont permettre d’exploiter ces propri´et´es. Electrons, hadrons et muons de grande impulsion transverse pT ou de grande ´energie transverse ET vont ˆetre cherch´es.
Les informations en provenance de ces quatres sous d´etecteurs sont transmises `a une unit´e de d´ecision qui a pour charge de les combiner et de donner la d´ecision de rejeter l’´ev´enement ou de continuer son analyse. Typiquement, ceci peut ˆetre effectu´e en appliquant certains seuils sur les ´energies transverses.
Ce premier niveau dispose de 4 µs pendant lesquelles les d´etecteurs sont lus, les ET calcul´ees et transmises et la d´ecision prise. Pour des questions de rapidit´e et d’´economie, une partie de l’´electronique de ce premier niveau est directement impl´ement´ee sur les cartes d’´electronique de lecture des canaux des calorim`etres. Pendant ces 4 µs les donn´ees sont conserv´ees dans les pipelines de l’electronique de lecture des canaux du d´etecteur. L’ensemble complet des donn´ees est digitis´e apr`es l’acceptation par ce niveau.
Ce niveau fournit une r´eduction relativement modeste, d’un facteur voisin de 10, des ´ev´enements minimum bias.
En charge d’une part importante de ce syst`eme notre contribution sera d´etaill´ee au paragraphe 9.4.
Le syst`eme de d´eclenchement de deuxi`eme niveau : Apr`es cette premi`ere d´ecision rapide, l’autre propri´et´e importante des hadrons beaux, leur temps de vie relativement grand qui entraˆıne que leurs produits de d´esint´egration proviennent de vertex d´eplac´es de plusieurs millim`etres du point d’interaction, va pouvoir ˆetre utilis´ee. Les donn´ees en provenance du d´etecteur de vertex sont disponibles `a ce niveau l`a. A partir des impacts produits dans les d´etecteurs de vertex, des traces sont reconstruites et le vertex primaire est localis´e. Des vertex secondaires sont ensuite
cherch´es avec des traces ayant un grand param`etre d’impact. Les ´ev´enements avec plusieurs vertex sont s´electionn´es. Une r´eduction du nombre d’´ev´enements minimum bias d’un facteur 25 suppl´ementaire est obtenue.
Le temps allou´e `a ce niveau est de 1024 µs. Les donn´ees se trouvant encore sur les cartes d’´electronique des d´etecteurs, la latence maximale de ce niveau est d´etermin´ee par la profondeur du buffer utilis´e.
Apr`es une d´ecision positive de ce niveau, les donn´ees, apr`es suppression de z´ero, sont transmises au syst`eme d’acquisition (DAQ) et `a la m´emoire tampon de l’´ev´enement. Ensuite, l’information de tous les d´etecteurs est en principe disponible.
Le syst`eme de d´eclenchement de troisi`eme et quatri`eme niveau : Ces niveaux sup´erieurs de d´eclenchement utilisent des algorithmes programmables tour-nant sur des fermes de calculateurs commerciaux et rejettent les ´ev´enements, y compris ceux contenant des hadrons beaux, qui ne nous int´eressent pas.
Au niveau 2, les informations de diff´erentes parties du d´etecteur sont mises `a profit pour raffiner la s´election d’´ev´enements b¯b. Par exemple, la reconstruction des
vertex secondaires de d´esint´egration des hadrons beaux est am´elior´ee en reconstrui-sant les traces `a grand param`etre d’impact `a l’aide du d´etecteur de vertex et des premi`eres chambres du syst`eme de trajectographie et en utilisant leur impulsion reconstruite dans ces chambres.
Au niveau 3, la d´ecision de d´eclenchement est prise apr`es reconstruction compl`ete de l’´ev´enement. Des modes de d´esint´egrations sp´ecifiques des hadrons beaux sont reconstruits et s´electionn´es `a l’aide de coupures laches et en utilisant l’ensemble des informations disponibles.
Environ 200 ´ev´enements par seconde seront ´ecrits sur supports magn´etiques `a un taux de 20 `a 30 Mbytes/s.