L’´electronique de lecture

La chaˆıne d’´electronique de lecture du MuTr et du MuID est semblable `a celle des autres sous-d´etecteurs de PHENIX. L’interface entre les chambres `a muons et le syst`eme d’acqui- sition des donn´ees en ligne de PHENIX, dit Data Acquisition System (DAQ), se fait par l’´electronique de lecture, dite Front End Electronics (FEE) [225]. Cette ´electronique amplifie et enregistre les signaux des chambres en continu. Lorsqu’un « bit » de d´eclenchement d’un module de chronom´etrage, dit Granule Time Module (GTM), est re¸cu, les ´echantillons de tous les canaux sont num´eris´es et les r´esultats envoy´es `a un module de collecte des donn´ees, dit Data Collection Module (DCM).

II.6.4.1 MuID

Les signaux provenant des huit cellules du premier tube (voir paragraphe II.6.2.1) d’un bi-

pack sont associ´es par un OU logique `a ceux venant du second. Un bi-pack ´equivaut donc `a un canal de lecture, et donc `a un bit une fois num´eris´e. Chaque panneau du MuID comporte un amplificateur d’un facteur 150 vers lequel sont dirig´es les signaux en sortie de chaque bi-pack, afin de compenser l’att´enuation due au trajet de 30 m qui m`ene aux modules ´electroniques en charge de la num´erisation. Les signaux analogiques ainsi obtenus atteignent les chˆassis o`u se trouve le FEE qui effectuent leur num´erisation et leur synchronisation. Un chˆassis prend en charge la totalit´e des signaux issus d’un bras pour une des deux orientations (verticale ou horizontale) et abrite un module ´electronique frontal, dit Front End Module (FEM) qui contrˆole 20 cartes de lecture dites Read Out Card (ROC). Chaque ROC regroupe jusqu’`a 96 canaux, `a raison d’un canal par bi-pack. Le FEM distribue aux ROC l’horloge de PHENIX (fournie par les Global Timing Module, ou GTM), r´egl´ee sur la p´eriode de croisement des paquets d’ions du faisceau, et collecte les signaux num´eris´es par chaque ROC `a chaque fois que le requiert le syst`eme d’acquisition de PHENIX. Chaque ROC amplifie trois fois les signaux analogiques qu’il re¸coit et rejette les signaux dont l’amplitude est inf´erieure `a 90 mV (majoritairement du bruit). Elle num´erise ensuite et met en m´emoire le reste des signaux qui sont envoy´es, via une connection optique, vers le syst`eme de d´eclenchement en ligne de niveau 1 associ´e et vers le FEM qui contrˆole la ROC. Le FEM rassemble les informations recueillies aupr`es de chaque ROC en un seul paquet qui est envoy´e en bloc vers les modules de collecte des donn´ees dits Data Collector Modules (DCM) du syst`eme d’acquisition de PHENIX.

Le fonctionnement de l’´electronique de lecture associ´e `a la correspondance physique entre une ROC et les bi-packs forment la structure du syst`eme de d´eclenchement MUIDLL1. En effet, une ROC traite les signaux issus des bi-packs appartenant `a un plan selon une orientation. L’ordre selon lequel les cˆables issus des bi-packs sont branch´es dans une ROC d´etermine

l’ordonnancement des donn´ees re¸cues par le MUIDLL1. L’algorithme du MUIDLL1 effectue des combinaisons logiques entre les donn´ees en provenance des ROC : il combine les coups en provenance de parties g´eom´etriques du MuID qui d´ependent du rang occup´e par un bit particulier dans le paquet de donn´ees re¸cues par le DCM, Data Collecting Modules et l’emplacement physique du bi-pack dans le MuID (bras, orientation, gap, panneau, num´ero du bi-pack dans ce panneau).

Un FEM lit 20 ROC `a la suite, `a raison de 6 mots de 16 bits par ROC. L’ordre de lecture des ROC d´etermine l’ordre des mots. Pour arriver `a une ROC, chaque mot a ´et´e v´ehicul´e par un cˆable qui r´eunit chacun des bits en provenance de 16 bi-packs. L’ordre des connections sur une ROC d´efinit l’ordre des bits dans un mot et l’ordre des mots dans le groupe de 6 mots trait´es par la ROC. L’emplacement physique des bi-packs connect´es par cˆable `a la ROC est connu. Au final, on peut donc associer le num´ero d’un mot, le num´ero du cˆable reliant le bi-pack et la ROC, le num´ero de la ROC, le num´ero du bi-pack et sa localisation (bras, orientation, gap, panneau). Toutes ces informations sont ensuite utilis´ees dans l’algorithme du MUIDLL1.

II.6.4.2 MuTr

La Fig. II.14 illustre la chaˆıne de communication ´electronique depuis les signaux du MuTr.

Plusieurs ´el´ements servent `a contrˆoler la bonne transmission des donn´ees : une interface ARC- Net (connection r´eseau qui permet de t´el´echarger les param`etres de FEE), les modules pro- grammables dits Field Programmable Gate Array (FPGA) pour contrˆoler les convertisseurs analogiques `a m´emoire Analog Memory Unit and Analog to Digital Converters (AMUADC), et les ´emetteurs et r´ecepteurs pour les informations des GTM et DCM. Les signaux analo- giques de d´eclenchement en provenance des chambres sont amplifi´es par les pr´e-amplificateur des cathodes Cathode PreAmp (CPA) et mis en m´emoire (par les AMU). Les signaux de huit pistes de CPA sont regroup´es sur des cartes CROC par l’interm´ediaire de connecteurs situ´es sur le backplane, qui r´ealisent l’interface entre les cartes et la chambre.

L’´electronique a ´et´e con¸cue afin d’assurer une r´esolution de 100 µm pour les plans de cathodes non-st´er´eo sur la mesure de la trajectoire des particules. Pour permettre cette r´esolution, les pr´e-amplificateurs choisis ont un faible bruit : l’´ecart type (RMS) du bruit `a l’entr´ee des

pr´e-amplificateurs est de 0,5 fC (3125 e−_{) pour un signal typique de 80 fC par amplificateur}

(ceci pour un pr´e-amplificateur de 3,5 mV/fC et une dynamique de 11 bits). La fr´equence de l’horloge des convertisseurs analogique-num´erique dits Analog to Digital Converters (ADC) est de 200 MHz. Ainsi, pour 11 bits de pr´ecision, quatre ´echantillons par ´ev`enement peuvent ˆetre convertis en 50 µsec. Cinq ´ev`enements au maximum peuvent ˆetre convertis et stock´es localement avant d’ˆetre transf´er´es `a la DAQ de PHENIX. La DAQ transmet le signal de d´ebut de num´erisation par l’interm´ediaire des modules de contrˆole rapide (GTM) aux cartes contrˆoleur (CNTL) du chˆassis. Une CNTL g`ere deux cartes CROC, soit 128 canaux (2 CROC × 8 CPA × 8 pistes). Un FEM Front End Electronic poss`ede une carte CNTL avec ses deux cartes CROC. Sur une carte CNTL, un circuit int´egr´e FPGA envoie aux AMUADC la consigne de d´ebut de num´erisation des signaux analogiques. Chacune des deux cartes contrˆoleurs collectent les donn´ees num´eris´ees, mais seule la carte maˆıtre les transmet au syst`eme de r´eception des donn´ees, le DCM. Les signaux provenant du GTM (ou se dirigeant vers le DCM) transitent par fibre optique, alors que ceux re¸cus (´emis) par la carte contrˆoleur sont achemin´es par des fils de cuivre, d’o`u la n´ecessit´e d’une conversion optique cuivre dite

GLink/CLink `a leur interface. Dans le cas o`u le FPGA est situ´e sur la carte CNTL maˆıtre,

de la carte maˆıtre. Enfin, le FPGA envoie les signaux aux DCM.

Fig. II.14 – Chemin suivi par les signaux depuis les chambres jusqu’au syst`eme d’acquisition.

Les alimentations des hautes tensions pour les chambres, les alimentations des basses ten- sions pour l’´electronique, les interfaces pour les fibres optiques venant de la salle de comptage de PHENIX, l’´electronique pour la calibration, et les syst`emes de contrˆoles auxiliaires pour le monitoring, sont tous plac´es sur une plate forme au dessus du support des aimants. Les signaux rapides de d´ecompte du temps sont transmis par les GLink/CLink juste en dehors de l’aimant, et sont transport´es `a la plate forme via 7 m de cˆables. De la mˆeme mani`ere les paquets de donn´ees sortants voyagent dans des cˆables jusqu’`a l’interface CLink/Glink et jusqu’aux modules de collecte de donn´ees dans la salle de comptage avec des fibres op- tiques. Le syst`eme ARCNet est utilis´e pour le contrˆole lent des informations au chˆassis de la plate forme et aux chˆassis GLink/Clink. Ce syst`eme permet notamment de t´el´echarger les informations aux CPA, AMUADC, et au composants FPGA, pour rentrer les param`etres de fonctionnement, mais r´ealise ´egalement l’interface avec la temp´erature, la tension, et les courants. Enfin il peut t´el´echarger les codes de FPGA `a distance, ce qui est indispensable pendant le d´eroulement de la prise de donn´ees pour r´eparer ou modifier des configurations sans avoir `a intervenir dans le hall exp´erimental (qui n´ecessiterait quelques heures d’arrˆet de faisceau pour toutes les exp´eriences).

II.6.4.3 Mesure de la charge dans le MuTr

Le signal est continuellement ´echantillonn´e sur 64 cellules de temps dans la m´emoire tampon de chacun des 32 canaux de l’AMU, une cellule temporelle correspondant `a 106 ns. La d´ecision de garder un ´ev`enement est prise au niveau du GTM. Ensuite, le FPGA s´electionne quatre cellules et num´erise le signal analogique de chacune. Les cellules sont situ´ees `a +5, +6 et +7 ´echantillon de la premi`ere cellule. La Fig.II.15 montre le signal o`u une premier partie,

pente ascendante, correspond au temps mis par le syst`eme pour d´eclencher l’acquisition par rapport au temps de la collision. Le signal est ajust´e au d´ebut de p´eriode de prise de donn´ees par rapport au temps de r´ef´erence donn´ee par le BBC afin que les ´echantillons renseignent au mieux sur la forme de Landau de la charge et d’am´eliorer ainsi la reconstruction. Le premier ´echantillon est donc mesur´e sur la pente montante du signal de la particule, et les trois autres sont situ´es pr`es du maximum du signal. Pour des coups bien calibr´es en temps, les trois derniers ´echantillons sont moyenn´es lin´eairement pour estimer la charge d´epos´ee sur une piste. L’erreur assign´ee `a la charge rend compte de la dispersion entre les ´echantillons et l’erreur sur la valeur du pi´edestal de la calibration. Cette erreur est artificiellement augment´ee quand un fil sature ou quand il appartient `a des cathodes dont l’efficacit´e est connue comme

mauvaise(9)_{. Le temps de num´erisation est de 40 µs/´ev`enement conduisant `a un temps mort}

total de l’ordre de 50 µs par ´ev`enement. La fr´equence d’acquisition pendant le Run-7 ´etait de 7 kHz avec 5% de temps mort.

temps (ns)

0 1000 2000 3000 4000 5000

signal (unité arbitraire)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Fig. II.15 – ´Echantillonage des charges mesur´ees par le MuTr.

II.6.4.4 Calibration du MuTr

Un syst`eme de calibration a ´et´e mis en place pour injecter des pulses dans toutes les

chambres(10)_{. Un signal carr´e venant d’un convertisseur analogique (DAC) est envoy´e sur}

quatre fils dans chaque chambre, recouvrant toute la largeur des plans de cathodes. Ceci induit une charge sur toutes les pistes des cathodes d’une chambre. Diff´erentes amplitudes du signal sont envoy´ees vers les chambres et un certains nombre d’´ev`enements est enregistr´e pour chacune. Les gains relatifs pour chaque piste sont d´etermin´es sur une gamme suffisam- ment large de valeur de l’amplitude du signal inject´e, repr´esentative de la charge d´epos´ee par les particules dans le d´etecteur. Les pi´edestaux sont obtenus en enregistrant des donn´ees de calibration avec l’amplitude des ADC mise `a z´ero. Ces mesures servent `a ajuster les donn´ees par rapport au gain r´eel des amplificateurs et de l’´electronique et notamment de prendre en compte des variations temporelles de ce gain et du niveau de bruit. Pendant les prises de donn´ees, d`es que les donn´ees indiquent une variation importante du niveau de bruit, due par exemple `a des changements de la temp´erature ou de l’humidit´e, la calibration est effectu´ee `a nouveau. Les calibrations compl`etes sont effectu´ees une fois par jour. Le r´esultat de la ca-

(9)_{C’est le cas pour certaines cathodes du bras Nord du MuTr.}

(10)_{Il n’y a pas de calibrations quotidienne pour le MuID `a proprement parl´e. Dans la mesure o`u celui-ci n’estime pas de}

charge, il n’utilise pas de pi´edestaux pour ajuster son d´eclenchement. Des donn´ees cosmics sont enregistr´ees tous les jours et sont utilis´ee dans l’estimation des efficacit´es.

libration du MuTr est utilis´e pour convertir les coups bruts des ADC pour chaque fil touch´e en de vraies charges en soustrayant la valeur des pi´edestaux, et multipliant la diff´erence par le gain des fils. Une comparaison des quatre ´echantillons des calibrations avec les mesures permet de rejeter les signaux qui viennent du bruit ou de particules ne venant pas de la col- lisions. Ces coups ne sont pas consid´er´es dans le reste de l’analyse. Cette ´etape est appel´ee la suppression des z´eros.

III

Préparation de la prise de

données 2007

« On ne re¸coit pas la sagesse, il faut la d´ecouvrir soi-mˆeme, apr`es un trajet que

personne ne peut faire pour nous, ne peut nous ´epargner. » Marcel Proust, `A l’ombre des jeunes filles en fleurs

En vue de la prise de donn´ees 2007 des collisions Au+Au `a 200 GeV par paire de nucl´eons, un travail pr´eparatoire a consist´e `a chercher comment am´eliorer la qualit´e de ces donn´ees. Celle-ci d´epend de plusieurs ´el´ements. D’une part, le code de reconstruction doit ˆetre efficace afin de reproduire au mieux les trajectoires des particules. Les diff´erents ´el´ements de l’algo- rithme de reconstruction sont d´etaill´es au paragraphe III.1. D’autre part, les donn´ees seront d’une qualit´e d’autant meilleure que la position des d´etecteurs correspond au plus pr`es `a celle utilis´ee dans le code de reconstruction. L’alignement du spectrom`etre `a muons et de l’identificateur `a muons a ´et´e r´e´evalu´e `a l’aide d’une nouvelle m´ethode d’alignement globale.

Celle-ci est pr´esent´ee au paragraphe III.2. Enfin, plus l’algorithme de reconstruction et les

d´etecteurs seront performants, meilleurs seront les r´esultats. Une derni`ere partie s’int´eresse `a diff´erentes am´eliorations au niveau de la configuration des d´etecteurs ainsi que de l’efficacit´e

de reconstruction, paragraphe III.3.

III.1

Reconstruction des J/ψ

Le code de reconstruction des trajectoires d´etect´ees dans le MuTr ´ecrit en C++ est utilis´e depuis 2004. Il a ´et´e con¸cu pour permettre de reconstruire les trajectoires dans un temps raisonnable avec une efficacit´e correcte. Les paragraphes suivants d´etaillent le fonctionnement de l’algorithme de reconstruction dans le Muid et le MuTr.