II.4.1 Les calorim`etres `a z´ero degr´e (ZDC)
Les calorim`etres `a z´ero degr´e [209] (ZDC) ont pour fonction de mesurer les neutrons specta- teurs dans les collisions ion-ion. Ils sont situ´es `a 18 m de part et d’autre du point d’interaction entre les deux tubes `a vide du faisceau et leur acceptance horizontale est de ±5 cm. Ainsi chaque ZDC couvre 2 mrad du cˆone angulaire vers l’avant, ce qui correspond `a une pseudo- rapidit´e de 4, 7 ≤ |η| ≤ 5, 6. Ils permettent de surveiller la luminosit´e comme les autres ZDC de RHIC install´es aux niveau des autres halls exp´erimentaux et de v´erifier la collimation du faisceau en d´ebut d’injection.
Un ZDC contient trois modules form´es par 27 plaques d’alliage de Tungst`ene (absorbeur) altern´ees avec des fibres optiques qui dirigent la lumi`ere sur des photomultiplicateurs. Sa profondeur est de deux longueurs d’interactions hadroniques. Les neutrons d´eveloppent une
avalanche hadronique lorsqu’ils traversent l’absorbeur. De la lumi`ere ˇCerenkov est irradi´ee
dans les fibres au passage des particules charg´ees issues de l’avalanche. Les plaques sont inclin´ees de 45◦ par rapport `a l’axe du faisceau pour favoriser les mesures.
Les ZDC sont sensibles `a l’´energie des neutrons issus des fragments r´esiduels des ions ini- tiaux. La proportion de nucl´eons ne participant pas `a la collision est directement reli´ee `a la g´eom´etrie de la collision, comme l’explique le paragraphe II.4.2.2. La corr´elation entre l’´ener-
gie mesur´ee dans le ZDC et la charge mesur´ee dans le BBC a ´et´e utilis´ee pendant la prise de donn´ee 2004 pour d´eterminer la centralit´e des ´ev`enements dans les collisions noyau-noyau.
Le ZDC a une efficacit´e optimale dans les collisions p´eriph´eriques o`u un maximum de nu-
cl´eons sont spectateurs de la collision. Cependant, dans les collisions ultra-p´eriph´eriques, les neutrons sont souvent pi´eg´es dans des fragments r´esiduels charg´es, ce qui biaise la mesure et a pour cons´equence une sous-estimation, pour certaines collisions, du nombre de neutrons spectateurs. Pour cette raison, les analyses ne font recours que de plus en plus rarement aux informations du ZDC pour la mesure de la centralit´e de la collision.
Le ZDC fournit des informations temporelles de ∼ 100 ps, moins pr´ecises que celles du BBC. Le ZDC est utilis´e dans le syst`eme de d´eclenchement de biais minimum dans les collisions noyau-noyau. Il peut donc servir `a la d´efinition des ´ev`enements de biais minimums pendant l’analyse.
II.4.2 Les compteurs d’interactions (BBC)
II.4.2.1 Description
Les BBC [210] (BBC) permettent de d´eterminer la position du vertex d’interaction et la cen-
tralit´e de chaque collision. Ils peuvent aussi ˆetre utilis´es pour d´eterminer le plan de r´eaction. Ces compteurs ont ´et´e con¸cus pour ˆetre fonctionnels quelles que soient les esp`eces utilis´ees pour la collision, dans un environnement `a fort taux de radiation et baign´e dans un champ magn´etique intense (0,3 T).
Les compteurs d’interaction sont form´es de deux d´etecteurs identiques install´es dans le bras Sud (BBCS) et dans le bras Nord (BBCN) le long du faisceau. Ils sont situ´es `a 144 cm du centre d’interaction. Ils couvrent un domaine en pseudo-rapidit´e de |η| ∈ [3, 0; 3, 9] et tout le
domaine en azimut. Ce sont des d´etecteurs `a quartz ˇCerenkov circulaires de 3 mm de rayon
qui d´etectent les particules charg´ees produites dans un petit cˆone autour de l’axe du faisceau et du point d’interaction de PHENIX. Leur rayon ext´erieur est de 30 cm et int´erieur de 5 cm. La lumi`ere est recueillie par 64 tubes photo-multiplicateurs (PMT) de diam`etre 5 cm. Chaque PMT est capable d’enregistrer entre 1 et 30 particules ionis´ees.
Associ´es `a une ´electronique rapide, les BBC sont utilis´es comme syst`eme de d´eclenchement pour n’importe quelle ´energie et esp`ece. Ce syst`eme de d´eclenchement accepte les signaux si le vertex du BBC est mesur´e `a moins de 48 cm du centre de PHENIX, afin d’´eviter les interactions des particules avec les pi`eces polaires de l’aimant et les particules diffus´ees dans l’acceptance du bras central. Les collisions qui ont d´eclench´e le BBCLL1 sont appel´ees ´ev`e- nements de biais minimum, dit Minimum Bias (MB). Elles correspondent `a une co¨ıncidence
entre les deux BBC o`u au moins un photo-multiplicateur a d´etect´e une particule affect´ee
d’une unit´e de charge. Plus le nombre de charges d´etect´ees est important, plus l’efficacit´e des BBC est bonne. Ainsi plus les ions collision´es sont lourds, ou plus l’´energie de la colli- sion est importante, plus l’efficacit´e sera grande. `A faible multiplicit´e, en collision p+p par
exemple, le BBC mesure une section efficace de σM B
pp = 21.8 mb±9, 6% ce qui correspond `a
une efficacit´e de d´etection de 51,6% par rapport `a la section efficace in´elastique totale. En revanche pour les ions d’or `a 200 GeV dans le centre de masse, l’efficacit´e est de 93 ± 3%.
Le temps de la collision T0 et la position au vertex le long du faisceau zvtx sont calcul´es
comme suit :
T0 = (T1+ T2)/2 − zbbc/c (II.2)
avec T1 et T2 les temps moyens mesur´es pour les particules arrivant dans chaque BBC, et
zbbc la position du centre des BBC Sud et Nord.
La r´esolution temporelle des PMT d´epend de la charge moyenne par tube. En l’occurrence, dans les collisions proton-proton, celle-ci est de σt = 52 ± 4 ps alors quelle devient σt = 20 ps dans les collisions Au+Au. Par ailleurs, la r´esolution moyenne du temps mesur´e par un BBC d´epend ´egalement du nombre de particules d´etect´ees par celui-ci, et est directement reli´ee (via l’Eq. (II.3)) `a la r´esolution sur la position du vertex. Dans les collisions p+p, la r´esolution
sur la position longitudinale du vertex est de σz = 2 cm et σz = 0, 5 cm dans les collisions
Au+Au (4).
II.4.2.2 Centralit´e de la collision
Les variables relatives `a la centralit´e d´efinies au paragraphe I.1.3.5 peuvent ˆetre estim´ees de diff´erentes mani`ere. Pour les r´esultats publi´es en utilisant les donn´ees Au+Au prises en 2004, la centralit´e a ´et´e d´etermin´ee en utilisant la m´ethode de correspondance de la
« montre ». Il s’agit de repr´esenter la distribution de charge du BBC en fonction de celle
du ZDC et d’´echantillonner en tranches le r´esultat. La distribution est ensuite rendue plate pour chaque segment de prise de donn´ee. La correspondance avec un code de Glauber Monte
Carlo permet d’obtenir les valeurs moyennes hNparti, hNcolli, ou encore hbi ainsi que les
erreurs syst´ematiques associ´ees [211].
Pour les collisions Au+Au `a 200 GeV de la prise de donn´ee de 2007, la centralit´e est calcul´ee
en utilisant uniquement le BBC [212] et est donn´ee pour chaque ´ev`enement. Ce fut ´egalement
le cas pour la prise de donn´ees Cu+Cu en 2005 [213]. Cette nouvelle m´ethode est plus pr´ecise que la m´ethode de la « montre ». Elle permet ´egalement de corriger des effets de biais du syst`eme de d´eclenchement qui existe dans l’´echantillon de donn´ees mesur´ees et donc rend les r´esultats de PHENIX moins d´ependants du ZDC. Par ailleurs, la mise en oeuvre de cette m´ethode a ´et´e l’occasion d’une r´e´evaluation des erreurs syst´ematiques associ´ees `a la mesure des classes de centralit´e. La correspondance avec les simulations Monte Carlo d’un mod`ele de Glauber permettrait d’obtenir les variables globales mais n’a pas ´et´e r´ealis´ee pour l’instant. Cependant, celles-ci ne devraient pas ˆetre tr`es diff´erentes de celles obtenues au Run-4 pour une tranche en centralit´e donn´ee.
Le principe de la m´ethode BBC repose sur l’hypoth`ese que la charge totale mesur´ee par l’un des BBC est lin´eairement proportionelle au nombre de nucl´eons participants `a la collision, chacun contribuant de fa¸con ´egale. Le nombre de coups dans les BBC est ajust´e avec une dis- tribution binomiale n´egative (NBD) [214,215]. Celle-ci est pond´er´ee par la probabilit´e pour un nombre de participants donn´es, de correspondre au nombre de coups dans les BBC simu-
l´es par un mod`ele Monte Carlo de Glauber [216]. Cette approche se base sur les hypoth`eses
suivantes :
• Le mod`ele Monte Carlo de Glauber doit reproduire la forme de la distribution de Npart;
• Les coups produits par les participants sont ind´ependants les uns des autres ;
• Les Ncoups produits par un participant suivent une statistique NBD.
Le r´esultat de l’ajustement sur les donn´ees du Run-7 Au+Au est pr´esent´e Fig. II.5a. L’ajus-
tement est de bonne qualit´e (χ2/n.d.f < 1). La Fig.II.5bpr´esente les tranches de centralit´es obtenues avec la nouvelles m´ethode uniquement bas´ee sur le BBC.
(a) Multiplicit´e dans les BBC en fonction du nombre de partici- pants mesur´es sur les donn´ees Au+Au 200 GeV/c du Run-7 et ajust´e avec la m´ethode BBC
(b) Tranches de centralit´e avec la m´ethode BBC utilis´e au Run-7
Fig. II.5 – Variables globales mesur´ees avec la nouvelle m´ethode BBC.
La dispersion de la distribution du nombre de coups est importante pour l’estimation des intervalles en centralit´e. Elle est d´efinie par deux processus : les fluctuations statistiques du nombre de particules produites par participant, comparables entre la m´ethode de la montre et la nouvelle m´ethode, et la dispersion de la distribution dans un intervalle de centralit´e particulier. `A la diff´erence de la m´ethode de la « montre », la nouvelle m´ethode ne fait pas
l’hypoth`ese de la maˆıtrise de la relation entre Npartet l’amplitude des signaux ZDC qui peut
ˆetre mal connue. En effet, le nombre de neutrons libres vus par le ZDC est obtenu par un exc`es d’´energie dans la partie du nucl´eon restant apr`es l’interaction. Cet exc`es devrait ˆetre proportionnel au nombre de nucl´eons participants manquants. Cependant, lors de collisions tr`es p´eriph´eriques par exemple, certains neutrons sont captur´es dans des fragments charg´es et donc ne peuvent pas ˆetre d´etect´es. Ainsi la m´ethode de la « montre » pr´esente des distorsions suppl´ementaires entre les ZDC qui n’existent pas dans le BBC.
Les signaux des BBC seuls, tels qu’utilis´es dans la nouvelle m´ethode, sont plus faciles `a lier aux donn´ees. D’autre part, les hypoth`eses r´ealis´ees sur le mod`ele sont limit´ees. Les
distributions en Npart dans les intervalles de centralit´e reconstruits avec les coupures du
BBC sont jusqu’`a 40% plus ´etroites que celles obtenues par la m´ethode de la « montre ». Par ailleurs, les erreurs syst´ematiques sur les param`etres du mod`ele Monte Carlo de Glauber sont beaucoup plus petites qu’avec la m´ethode de la « montre »par ce que les amplitudes du BBC peuvent ˆetre expliqu´ees physiquement dans la nouvelle m´ethode et ne d´ecoulent pas simplement d’une correspondance avec la simulation. Le gain le plus important sur les syst´ematiques vient de l’introduction des profils d’efficacit´e qui permettent de contraindre l’incertitude de l’efficacit´e du syst`eme de d´eclenchement dans un nombre d’intervalles limit´es alors que ces incertitudes pourraient affecter les donn´ees.
II.4.3 Le d´etecteur du plan de r´eaction (RxnP)
Le d´etecteur de plan de r´eaction [217] (RxnP) a pour objectif d’am´eliorer la mesure du plan
de r´eaction qui jusqu’en 2007 ´etait r´ealis´ee avec le BBC. La r´esolution obtenue avec le RxnP
est presque deux fois meilleure qu’avec le BBC comme le montre la Fig. II.6 dont l’axe des
ordonn´ees sera expliqu´e plus en d´etail au paragrapheV.2.1. Le RxnP permettra d’augmenter
la pr´ecision d’un certain nombre de mesures utilisant le plan de r´eaction(5). (5)Comme la mesure de l’anisotropie spatiale du J/ψ d´etaill´ee au chapitreV.33.
Fig. II.6 – Indicateur de la r´esolution du plan de r´eaction mesur´ee par les BBC (cercles rouges), par les MPC
(triangles magenta) et par les RxnP (carr´es bleus). Plus hcos(2∆RP)i est grand, plus les informations
sur le plan de r´eaction sont pr´ecises.
Le RxnP est constitu´e principalement de scintillateurs de 2 cm d’´epaisseur plac´es `a 38 cm
du vertex d’interaction. La Fig. II.7 indique les dimensions et la segmentation des ´el´ements
constituant le RxnP. Les scintillateurs sont divis´es en 12 secteurs en φ couvrant l’azimut [-π,π]. Ce nombre a ´et´e optimis´e pour minimiser les effets de perte d’efficacit´e li´es aux canaux morts. Le d´etecteur est ´egalement segment´e en deux cercles concentriques dont l’anneau int´erieur s’´etend entre r = 5 cm et r = 18 cm, et l’anneau ext´erieur entre r = 18 et r = 33 cm. Ceci permet au d´etecteur de couvrir deux r´egions en pseudo-rapidit´e : 1, 0 ≤ |η| ≤ 1, 5 et 1, 5 ≤ |η| ≤ 2, 8. Cette segmentation est optimale pour maximiser l’acceptance et l’efficacit´e de d´etection tout en limitant les effets d’auto-corr´elations sur la d´etermination du plan de r´eaction, induits par la cr´eation de jets dans la collision. Il faut en effet pour cela qu’un nombre suffisant de tubes de photo-multiplicateurs puissent lire des domaines en η de fa¸con ind´ependante.
II.4.4 Les Calorim`etres `a pistons (MPC)
Les calorim`etres `a pistons (MPC) sont des calorim`etres situ´es `a rapidit´e positive (MPCN)
et n´egative (MPCS). Chacun est compos´e de rang´ees de crystaux de PbWO4, install´ees
pr`es du faisceau. Ils vont permettre l’identification des gerbes hadroniques de d´esint´egration et ainsi la mesure des pions neutres, des m´esons η et des jets sur une r´egion en pseudo- rapidit´e de 3, 1 < η < 3, 65 et 0 < φ < 2π en azimut. Malgr´e sa position dans la r´egion de pseudo-rapidit´e positive, les MPC sont consid´er´es comme des d´etecteurs globaux parce qu’ils peuvent renseigner sur la g´eom´etrie de la collision et mesurer le plan de la r´eaction avec plus
de pr´ecision que les BBC, comme le montre la Fig.II.6. Cependant, la fonction principale de
ces calorim`etres est de permettre l’´etude des asym´etries de spin dans les collisions polaris´ees
p+p dans une nouvelle r´egion en rapidit´e et la recherche de l’existence du CGC `a des x(6)
plus petits que ce que pouvait mesurer PHENIX jusqu’`a pr´esent notament dans les collisions d+Au. Leur r´esolution ne permet pas d’ˆetre utilis´e de fa¸con performante dans les collisions Au+Au car la multiplicit´e des ´ev`enements y est trop grande. La Fig.II.8r´esume la couverture en pseudo-rapidit´e des MPC et des autres calorim`etres de PHENIX.
Fig. II.7 – D´etails de la structure du d´etecteur de plan de r´eaction RxnP.
Fig. II.8 – Couverture en pseudo-rapidit´e des calorim`etres proches du vertex