Les bras centraux [218] regroupent les syst`emes de trajectographie des particules charg´ees
et la calorim´etrie ´electromagn´etique plac´ee en dehors du champ magn´etique. Le calorim`etre ´electromagn´etique (EMCal) [219] est le sous-syst`eme le plus ext´erieur des bras centraux. Il mesure l’´energie des photons et des ´electrons. Il est tr`es segment´e ce qui lui permet d’obtenir une bonne r´esolution en position. Il est constitu´e de scintillateurs au plomb (PbSc) qui permettent d’obtenir une mesure pr´ecise du temps, et de calorim`etres au verre au plomb (PbGl) pour obtenir une bonne r´esolution en ´energie.
Le syst`eme de trajectographie utilise trois groupes de chambres proportionnelles `a multi-fils (PC) pour fournir la position tridimensionnelle utilis´ee lors de la reconstruction des trajec-
toires, et pour d´eterminer l’impulsion longitudinale (pz) des particules. La reconstruction
pr´ecise (en r,φ) des trajectoires dans les chambres `a d´erive (DC) permet d’obtenir une excel- lente r´esolution en impulsion. Une chambre `a expansion temporelle (TEC) dans le bras Est compl`ete les informations sur la position des particules et permet l’identification suppl´emen-
taire des particules grˆace `a une s´eparation en ´energie. Les d´etecteurs de temps de vol (ToF)
et ˇCerenkov (RICH) jouent un rˆole majeur dans l’identification des particules. La r´esolution
temporelle de 85 ps du ToF permet de s´eparer les kaons des pions jusqu’`a p = 2, 5 GeV/c et permet l’identification des protons jusqu’`a p = 5 GeV/c. Pendant les collisions p+p, moins de particules sont pr´esentes dans le BBC, ce qui r´eduit sa r´esolution temporelle et par cons´e- quent celle du ToF. En utilisant les informations du RICH, de la TEC et de l’EMCal, il est
possible de diminuer la contamination des ´electrons jusqu’`a 1/104 pour un grand intervalle
en impulsion. Les candidats ´electrons sont obtenus en combinant les informations venant des
DC et PC portant sur la trajectoire, la forme et la position du cˆone de lumi`ere ˇCerenkov
du RICH et la position du d´epˆot d’´energie dans l’EMCal. Le rapport E/p est utilis´e pour discriminer les ´electrons des hadrons.
II.5.1 Les chambres `a d´erive (DC)
Les chambres `a d´erive [218] (DC) sont essentielles `a la reconstruction des trajectoires des
particules `a rapidit´e centrale. Elles permettent notamment de reconstruire la trajectoire des particules charg´ees dans un environnement `a haute multiplicit´e dans la direction r − φ de fa¸con `a d´eterminer leur impulsion transverse. Les DC sont compos´ees de chambres `a gaz `a multi-fils situ´ees `a une distance du faisceau comprise entre 202 cm et 246 cm et occupent
180 cm en longueur et 90◦ en φ pour chaque bras (Est et Ouest). La r´esolution spatiale d’un
fil est inf´erieur `a 0, 15 mm en r − φ et la s´eparation de deux trajectoires par un seul fil est sup´erieure `a 1,5 mm. La r´esolution spatiale en z est sup´erieur `a 2 mm, et l’efficacit´e d’un seul fil sup´erieure `a 95%.
La Fig. II.9 montre une vue sch´ematique d’une DC. Chaque chambre `a d´erive comporte un
cylindre de titanium pour armature supportant un r´eseau de fils de 42 cm de largeur et 180 cm de longueur. Le volume actif de la DC est rempli `a moiti´e par de l’argon et l’autre moiti´e par de l’´ethane. Le m´elange a ´et´e choisi en raison de la vitesse uniforme de d´erive des particules charg´ees dans un tel m´elange, de son haut gain et de son faible coefficient de
diffusion. Chaque bras contient 20 segments couvrant 4, 5◦ d’angle azimutal. Il y a six types
de modules de fils d’anode dans chaque segment, appel´es X1, U1, V1, X2, U2, et V2, et chacun contient quatre plans d’anodes et quatre plans de cathodes. Les fils X1 et X2 sont dispos´es circulairement autour du faisceau pour permettre de reconstruire la trajectoire des particules dans le plan r − φ. Les fils U et V font un angle de 6◦ avec les fils X, et permettent de mesurer les coordonn´ees z de la trajectoire.
II.5.2 Les chambres proportionnelles `a multi-fils (PC)
Les bras centraux de PHENIX comportent trois couches de chambres `a fils proportionnelles
appel´ees Pad Chambers [218] (PC). Leur fonction principale est de mesurer la position des
particules charg´ees avec pr´ecision.
La premi`ere couche, PC1, est situ´ee juste derri`ere la DC dans chaque bras. La PC2 est install´ee entre le RICH et l’EMCal dans le bras Ouest seulement. La PC3 est install´ee dans le bras Ouest entre le ToF Ouest et le calorim`etre PbSc et dans le bras Est entre la TEC et l’EMCal. Chaque chambre contient un plan de fils dans un volume de gaz d´elimit´e
par deux plans de cathodes segment´ees en rang´ees de pixels. Le sch´ema Fig. II.10 pr´esente
sch´ematiquement la pix´elisation des cathodes. Lorsqu’une avalanche est cr´e´ee par le passage d’une particule charg´ee pr`es d’un fils d’anode, la charge induite sur un nombre de pixels est
Fig. II.9 – Structure d’une chambre `a d´erive
lue sur une ´electronique sp´ecialement con¸cue. L’´el´ement de base du d´etecteur est un groupe de neuf pixels.
Fig. II.10 – G´eom´etrie d’un ´el´ement de d´etection d’une PC `a droite. Une cellule est d´efinie par trois pixels au centre de la figure de droite, qui sont d´etaill´es sur la figure de gauche.
La PC mesure des points de la trajectoire droite des particules en dehors du champ magn´e- tique pour les PC2 et PC3 avec une r´esolution de 1, 7 mm dans la direction de z et 2, 5 mm dans la direction de r − φ. La PC1 mesure un point situ´e juste derri`ere la DC, fournissant ainsi la coordonn´ee z d’une trajectoire, et est donc essentielle `a la reconstruction de l’impul- sion en trois dimensions d’une particule. Les informations des PC sont ´egalement essentielles pour l’identification des particules, en particulier pour l’identification des ´electrons, car elles permettent de rejeter les gerbes hadroniques d´etect´ees par l’EMCal pour lesquelles aucun coup n’est associ´e dans la PC. Les informations de la DC et la PC1 permettent d’obtenir le vecteur directeur des morceaux de trajectoires n´ecessaires `a l’analyse des donn´ees du RICH. Les PC2 et PC3 servent `a r´esoudre les ambigu¨ıt´es venant des autres d´etecteurs car, par exemple, ∼ 30% des particules d´etect´ees par l’EMCal sont produites soit par interaction se- condaire ou d´ecroissance de particules en dehors de l’acceptance de la DC et de la PC2, soit par des trajectoires primaires de petite impulsion transverse qui se courbent dans le champ
magn´etique o`u baigne la PC1, et heurtent la PC2 et PC3. La reconnaissance de trois points
d’une ligne droite r´epartis dans le spectrom`etre assure une r´eponse correctement corr´el´ee aux d´etecteurs RICH, TEC et EMCal pour l’identification des particules et `a la DC pour la mesure de l’impulsion.
II.5.3 Les chambres `a expansion temporelle (TEC)
La chambre `a expansion temporelle [218] (TEC) mesure la position et l’impulsion des par-
ticules charg´ees et les identifie. Elle est compos´ee d’un jeu de 24 grandes chambres `a fils regroup´ees dans quatre secteurs par bras lui permettant de suivre toutes les particules char- g´ees qui passent dans la r´egion active entre le RICH et l’EMCal et de donner les vecteurs directeurs de leur trajectoire ce qui compl`ete les informations provenant des DC et PC. La TEC mesure l’´energie perdue par ionisation (dE/dx) des particules charg´ees ce qui permet de les identifier, et notamment de s´eparer les ´electrons des pions.
Les six chambres `a fils de chaque secteur sont construites `a l’int´erieur de deux segment plats dans chaque bras, situ´es `a z = 4, 35 m. L’aire active couverte est de |η| ≤ 0, 35. Un m´elange gazeux `a base d’argon permet d’assurer les performances de reconstruction et d’identification. La vitesse de d´erive varie entre 15 et 30 mm/s.
II.5.4 Le Ring-Imaging ˇCerenkov (RICH)
Le Ring-Imaging ˇCerenkov [220] (RICH) ´et´e con¸cu principalement pour identifier les ´elec-
trons. Son pouvoir de rejection des hadrons est sup´erieur `a 1/104 en dessous d’une impulsion
de 4, 7 GeV/c. Pour les collisions p+p, le RICH sert aussi de syst`eme de d´eclenchement de niveau 1 pour la collecte d’´ev`enements contenant des ´electrons.
Chaque RICH a un volume de 40 m3, une fenˆetre d’ouverture de surface 8, 9 m2, et une
fenˆetre de sortie de surface 21, 6 m2. Les d´etecteurs contiennent 48 miroirs form´es de deux
surfaces sph´eriques concentriques, pour un total de 20 m2de surface de r´eflection. Les miroirs
concentrent les radiations ˇCerenkov sur deux rang´ees de photomultiplicateurs situ´ees de
chaque cot´e de la fenˆetre d’entr´ee. Les phototubes de verre absorbent les photons de longueur d’onde inf´erieure `a 200 nm. La r´eflectivit´e des miroirs est de 83% `a 200 nm, et augmente `a 90% `a 250 nm. Pendant la prise de donn´ees 2007, les pions d’impulsion sup´erieure `a
4, 65 GeV/c ´emettent du rayonnement ˇCerenkov dans le CO2, utilis´e comme gaz radiatif. Il
est alors possible de rejetter ces pions.
II.5.5 Le compteur Aerogel ˇCerenkov
Le compteur Aerogel ˇCerenkov [220] a ´et´e install´e pour renforcer la capacit´e d’identification de PHENIX, notamment `a haute impulsion transverse (jusqu’`a 9 GeV/c). L’Aerogel couvre un volume de 390 cm(z) × 120 cm(φ) × 30 cm(r) dans le bras Ouest depuis 2003 et Est depuis 2004. Il est situ´e `a r = 4, 5 cm du faisceau, entre la PC2 et PC3. Il est constitu´e de 160 cellules plac´ees en rang´ees de 16(z)×10 (φ). Pour ´eliminer les espaces morts, une cellule sur deux
est tourn´ee autour de l’axe z. Chaque boite comporte un espace de 22(z)×11(φ)×12(r) cm3
contenant l’Aerogel d’indice de r´efraction n = 1, 0114. Deux tubes photomultiplicateurs sont plac´es face `a chaque cellule. Les signaux de chaque photo-multiplicateur sont amen´es aux cartes de pr´e-amplifications situ´ees sur l’ext´erieur de la structure de l’Aerogel.
II.5.6 Le d´etecteur de temps de vol (ToF E et W)
Les d´etecteurs de temps de vol [220] (ToF) sont des compteurs qui mesurent la position des
sont form´es de 960 scintillateurs de plastique munis de photo-multiplicateurs pour la lecture des signaux.
Pour l’identification de particules, la m´ethode la plus performante consiste `a comparer le temps de vol de la particule `a l’impulsion donn´ee mesur´e avec des scintillateurs orient´es le long de la direction r − φ. La r´esolution temporelle du ToF d’environ 100 ps permet de s´eparer les kaons des pions jusqu’`a une impulsion de 2,4 GeV/c. La couverture azimutale du
ToF est r´eduite `a 45◦ soit la moiti´e de la couverture azimutale de chaque bras. Le ToF W a
´et´e rajout´e au bras Ouest en 2007.
II.5.7 Le calorim`etre ´electromagn´etique (EMCal)
Le calorim`etre ´electromagn´etique [219] (EMCal) a ´et´e con¸cu pour mesurer avec pr´ecision
la position et l’´energie des photons et des ´electrons produits dans les collisions nucl´eon- nucl´eon. L’EMCal fourni ´egalement une bonne mesure de l’´energie hadronique produite `a rapidit´e nulle, et donc de l’´energie totale produite dans la collision. Il joue aussi un rˆole important dans l’identification des particules comme dans le syst`eme de d´eclenchement de PHENIX `a cause de sa d´etection rapide des photons et des ´electrons de haute impulsion transverse.
L’EMCal couvre toute l’acceptance en rapidit´e des bras centraux (voir Fig.II.8). Il est com-
pos´e de quatre secteurs de calorim`etres de scintillation en plomb dans le bras Ouest, deux autres calorim`etres de scintillation dans le bras Est, et deux calorim`etres ˇCerenkov de verre au plomb dans le bras Est. Les secteurs de verre au plomb (PbGl) ont ´et´e pr´ec´edemment utilis´es dans les exp´eriences WA80 [221] et WA98 [222]. Le calorim`etre de scintillation en plomb est un calorim`etre d’´echantillonage de type Shashlik fait de piles de plombs altern´ees
avec des scintillateurs et repr´esentant 15552 tours de 5,25×5,25×27,0 cm3. La profondeur de
l’EMCal correspond `a 18 longueurs de radiation. Elle est choisie pour optimiser la s´eparation ´electron/pion via le rapport ´energie/impulsion. Cette s´eparation repose sur le fait que les distributions en ´energie des particules ´electromagn´etiques et hadroniques sont diff´erentes et touchent un nombre diff´erent de tours adjacentes du calorim`etre, notamment `a cause des
gerbes secondaires. La r´esolution en ´energie du calorim`etre de verre au plomb est de 6%√E,
alors que la r´esolution en ´energie du scintillateur de plomb n’est que 8, 1%√E.
II.5.8 Le d´etecteur insensible aux hadrons (HBD)
Le d´etecteur insensible aux hadrons [223] (HBD), ajout´e `a l’exp´erience PHENIX en 2007,
a ´et´e con¸cu pour identifier des paires d’´electron-positron `a petit angle qui viennent de la d´ecroissance des m´esons π0 et des conversion γ, afin de r´eduire le bruit de fond combinatoire
dans des r´egions en masse plus petite que 1 GeV/c2.
Le HBD est un d´etecteur ˇCerenkov situ´e `a moins de 50 cm du faisceau et compos´e de photo-
cathode (Csl) et de trois couches de d´etecteurs gazeux (CF4) qui assurent l’amplification des
´electrons 104fois. Le HBD est sensible `a la moindre charge produite par les photons ˇCerenkov et insensible `a des ionisations plus grandes provenant des hadrons le traversant. La diff´erence entre ces deux processus r´esulte de la localisation des charges primaires : l’ionisation est toujours situ´ee dans un module unique alors que les ´electrons primaires qui produisent de la
lumi`ere ˇCerenkov rependent leur ionisation au moins sur deux modules adjacents. En d’autres
termes, un module de d´etection du HBD est sensible aux rayonnements ultra-violets, mais opaque aux hadrons qui le traversent. Les ´electrons produits par ionisation des particules
dans le volume de gaz au dessus de la photo-cathode peuvent ˆetre supprim´es par un champ de d´erive qui les ´eloigne de la zone d’amplification.
La Fig.II.11pr´esente les ´el´ements du HBD. Le d´etecteur consiste en deux demi-cylindres faits de panneaux de fibres de verre. Les six secteurs int´erieurs sont couverts d’une seule pi`ece de
film Kapton o`u sont dispos´es 1152 blocs appel´es pads. Ce film permet ´egalement de sceller
le gaz. Les particules entrent dans le d´etecteur par des fenˆetres de mylar et d’aluminium de 0, 12 mm de diam`etre. Douze modules d’amplification (GEM) sont situ´es dans la partie int´e-
rieure de chaque demi-cylindre du HBD de dimension 27 × 23 cm2. L’amplification s’effectue
grˆace aux GEM de chaque module. Ceux-ci sont divis´es en 28, dont chacune poss`ede une
haute tension s´epar´ee afin de diminuer l’´energie stock´ee dans chaque GEM au cas o`u une
d´echarge ´electrique aurait lieu. Tous les GEM d’un module sont aliment´ees par une unique haute tension en passant par une chaˆıne de r´esistances.
Fig. II.11 – Gauche : sch´ema d’une unit´e d’amplification. Les lignes rouges et bleues sont respectivement des trajectoires d’´electrons et de photons. Droite : vue sch´ematique du d´etecteur final.
Ce d´etecteur n’a pas eu une performance optimale pendant le Run-7 principalement `a cause de probl`emes de hautes tensions et d’un manque de protection contre des d´echarges ´elec- triques dues `a une trop grande ionisation dans le volume gazeux qui endommag`erent les GEM. Ceci `a eu des r´epercussions notamment sur la mesure de la production du J/ψ dans `a rapidit´e nulle qui souffre d’un bruit de fond plus grand qu’en 2004. Des modifications ont ´et´e apport´ees pour les prises de donn´ees futures et devraient assurer un meilleur fonctionnement du HBD.