Le detecteur interne

Le detecteur interne est operationnel a haute luminosite. Il est capable notamment de mesurer avec precision l'impulsion des e et d'etiqueter les jets issus des quarks beaux. En liaison avec la calorimetrie, il aide a l'identication des et dese. A basse luminosite, il determine la position des vertex secondaires et permet la reconstruction complete de certains modes de desintegration des mesons beaux.

2.2.2.1 Description

La reconstruction des trajectoires et la mesure des impulsions des charges sont realisees a partir d'un nombre eleve de points par trace, superieur a 40. Cette reconstruction est obtenue a l'aide d'une combinaison de deux techniques, l'une est basee sur des couches de precision au silicium, ou arseniure de gallium (AsGa), qui permettent une localisation tres precise dans l'espace des traces, l'autre sur un detecteur utilisant la radiation de transition (TRT) et qui assure un suivi continu des trajectoires. La disposition des dierentes parties du detecteur interne de traces chargees est presentee sur la gure 2.8 [19]. Il a une longueur de 6.90 m et un rayon externe de 1.15 m.



Les couches de precision:

- Une premiere couche cylindrique en pixels de silicium est installee a R = 4 cm de l'axe z. Presente a basse luminosite (L = 1033 cm?2:s?1), elle permet de determiner la position

Figure 2.8: Vue en coupe, dans un plan (R,z), du detecteur interne (dans la phase de fonctionnement du LHC a haute luminosite).

des vertex secondaires. Elle est constituee de 12: 106 capteurs repartis sur l'acceptance

jj<2:5.

- Deux couches cylindriques, situees a R = 11.5 et 16.5 cm, et 8 disques de semi-conducteurs double face en pixels de silicium, representent 1:4 108 capteurs repartis dans l'acceptancejj<2:5. La taille de ces pixels est 50 m300m, les resolutions spatiales correspondantes sont de l'ordre de R?' 14m et z '87 m. Les taux d'occupation sont inferieurs a 10?4.

- Quatre cylindres situes a R'30, 35, 45 et 50 cm, et 18 disques de semi-conducteurs, tous en micro-pistes de silicium, permettent de couvrir des surfaces plus etendues que les pixels, a des rayons plus grands, tout en gardant des granularites nes. Quelque soit la position (jj < 2:5), 4 points fournis par les pistes de silicium, donnent une vue dans l'espace des trajectoires. Ces pistes correspondent a un nombre de capteurs qui est de l'ordre de 5:106, leur taille de 12 cm(75 a 112:5m) permet d'atteindre des resolutions spatiales de l'ordre de R? '15 a 35m, R<1800 m etz '770 m.

- Dix disques de semi-conducteurs avec pistes en AsGa, a des positions R < 35 cm, couvrent les acceptances comprises dans l'intervalle 2:0 < jj < 2:5. L'arseniure de gal-lium est plus resistant aux radiations que le silicium. Le nombre de capteurs associes est d'environ 106, leur taille de 7:6 cm50 m permet d'obtenir les resolutions spatiales: R? '10m, R'1200 m.



Le detecteur a radiation de transition (TRT):

Le TRT (\Transition Radiation Tracker") est installe dans une zone ou la densite des traces est plus faible.

Ce detecteur est base sur l'utilisation du rayonnement de transition. Des photons X sont emis lors du passage des e dans un milieu constitue de feuilles de polypropylene

servant de radiateur. Ils sont detectes dans 64 couches de tubes a derive de 4 mm de diametres (\pailles"). Les charges produites par ionisation sont collectees sur les ls situes au centre des tubes. Ce detecteur est dispose entre les rayons R = 60 et R = 110 cm (les pailles sont suivant l'axe z dans la partie centrale, perpendiculaires a l'avant). Le nombre des capteurs associes est de l'ordre d'un demi-million.

Le TRT assure 3 fonctions, l'identication des e par rapport aux jets, la reconnais-sance des paires !e+e? (egalement celles issues des desintegrations Dalitz de) et la reconstruction des trajectoires des traces chargees, gr^ace a plus de 35 points successifs. La resolution spatiale, R?, des pailles est de l'ordre de 170m. L'ecacite de ce detecteur est principalement aectee par le taux d'occupation lie a la luminosite.

Dans la partie centrale du TRT, la localisation en z des traces chargees est limitee puisque les pailles sont paralleles a l'axe des faisceaux. Dans les parties avant, les pailles sont disposees perpendiculairement a cet axe. La localisation des traces en z est donc meilleure a l'avant. Deux niveaux succesifs de pailles sont distants d'une dizaine de mm.

2.2.2.2 Performances attendues

Ecacite de detection et reconstruction

L'ecacite (E) de detection et de reconstruction des trajectoires des particules chargees isolees de PT >5 GeV=c, depasse 95 %, a haute luminosite, pourjj<2:5, avec des taux d'erreur (Tfaux) inferieurs a 1%.

Les regions d'inter^et du detecteur interne, pour un declenchement de l'experience au niveau 2, sont determinees au 1er niveau par les calorimetres, dans des c^ones de tailles
R inferieures a 0:25y, autour du centrode d'un amas d'energie, et par le spectrometre a . Dans ces regions, la detection des traces chargees de PT >20 GeV=c est realisee avec des ecacites correspondand a E >90% et Tfaux<10%.

Le detecteur interne joue un r^ole important dans la reconstruction des e de PT

superieur a 10 GeV=c. L'ecacite de reconstruction est superieure a 90%, en tenant compte de l'ecacite de declenchement et des emissions de photons par rayonnement de freinage dans la matiere du detecteur (Bremsstrahlung).

Resolutions

La resolution sur la mesure de l'impulsion transverse des muons, jusqu'a jj= 2, est donnee par la formule:

(PT) PT =?

5:10?4PT 0:012

10?2 (PT en GeV=c) (2.12) Elle inclue les eets d'inhomogeneite du champ magnetique delivre par le solenode. Le terme constant dans la formule tient compte des eets de diusion Coulombienne qui

y
R =p



2+


2

limitent la resolution des particules chargees de basses energies (inferieures a 25 GeV). La courbe 2.9 donne la resolution de  de PT = 500 GeV=c, en fonction de jj [20]. Si

jj<2, la resolution est de l'ordre de 25 %. Sijj>2, la resolution se degrade a cause de la diminution du champ magnetique et de ses inhomogeneites, mais elle ne depasse jamais 50 % (la composante longitudinale du champ diminue de 2 a 0.4 Teslas quand jzj passe de 2 m a 3.2 m). Le signe de la charge electrique des traces est determine sans ambigute. Le detecteur central donne la position du vertex initial de la collision p-p a laquelle la trace chargee appartient. Le long de l'axe z, la position de ce vertex est reconstruite avec une precision vertexz <1 mm (la dispersion du point d'interaction est de 5.6 cm). La mesure de l'angle polaire des traces chargees est obtenue avec une resolution <2 mrad.

Figure 2.9: Resolution du detecteur central sur la mesure de l'impulsion transverse des  de PT = 500 GeV=c (a gauche). Pouvoirs de separation entre les e et les pour dierentes ecacites de fonctionnement des couches de detection en silicium du detecteur central (a droite).

Idencations

Le detecteur interne joue un r^ole important dans l'identication des paires e de conversions de photons ( ! e+e?) ou des paires de Dalitz dans les desintegrations 

! e+e?. La reconstruction de 2 traces chargees voisines et de signes opposes, not-tamment avec l'aide du TRT, est suivie par la recherche d'un vertex deplace venant d'une eventuelle conversion de photon. Cette identication commence par la detection d'un e

de haut PT, puis par la recherche d'un secondeproche du precedent avec une impulsion transverse PT > 0:5 GeV=c (l'ecacite relative de detection du 2nd e est superieure a 90%). La courbe 2.9 (a droite) montre que les photons, convertis ou non, pour une ecacite detection de 85%, peuvent ^etre separes des e dans plus de 99:8% des cas, le

pouvoir de rejection R est superieur a 500 [21]. Cette courbe est obtenue pour des valeurs d'impulsion PT '40 GeV=c.

En combinant le pouvoir de rejection du calorimetre EM, et la recherche des paires e+e? de conversion dans le detecteur interne, le pouvoir de rejection des (! ) est ameliore [22]. Dans ce cas, la detection de conversions multiples et la balance energie-impulsion d'une paire e+e? produite, sont utilisees comme 2 criteres de rejection des . L'identication des electrons par rapport aux hadrons se fait en combinant les perfor-mances des calorimetres et du detecteur interne. Le taux de production des jets est plus eleve que celui des electrons isoles par pres de 5 ordres de grandeur. Les calorimetres permettent de distinguer les hadrons des electrons et orent un facteur de rejection R'

103, le detecteur central fournit un facteur de rejection supplementaire de l'ordre de 100. La valeur de la rejection combinee de 105 peut ^etre atteinte a partir de PT ' 20 GeV=c [23].

Marquage des hadrons beaux

C'est dans la phase de demarrage du LHC, a basse luminosite, que le detecteur interne aura les meilleures performances. Il sera possible d'identier et de reconstruire des traces de bas PT (> 0:5 GeV=c), de trouver la position des vertex secondaires, d'identier les jets issus de leptons  et de reconstruire les K

s. Par exemple, le mode exclusif Bd !

J= K

s (!l+l?+?) peut ^etre reconstruit pour l'etude de la violation de CP.

La combinaison des performances des couches de pixel du detecteur interne et la possibilite d'identier des e et des  de bas PT (superieur a 2 ou 3 GeV=c), dans les desintegrations semi-leptoniques des b, a l'aide du detecteur a rayonnement de transition et des calorimetres [24], devrait permettre d'atteindre des niveaux eleves d'etiquetage des hadrons issus de quarks beaux. Une valeur de rejection des jets, issus de saveurs \legeres" (quarks u; d; s) ou de gluons, Rjet >100 devrait ^etre obtenue pour une ecacite relative

Ebeaux= 50%z.

A haute luminosite, l'etiquetage des jets de hadrons beaux sera moins ecace. La couche de pixels la plus proche du point d'interaction (situee a 4 cm) ne supportera pas les eets des radiations et devra ^etre retiree. Les resolutions sur les grands parametres d'impact servant a mesurer le temps de vie des hadrons beaux seront 3 a 4 fois moins bonnes (de l'ordre de 30mdans la vue transverse au faisceaux et de 150mdans la vue longitudinale). L'eet d'empilement des evenements parasites sera egalement important. Dans les c^ones servant a reconstruire l'energie du jet de b (
R= 0:4), le nombre de traces chargees parasites de plus de 1 GeV=c de PT sera de l'ordre de 2, avec environ 5 traces de signal se partageant au moins 15 GeV=c. En particulier, la resolution sur la masse invariante des paires b^b (mbb) sera moins bonne.

zCette valeur semble raisonnable en comparaison des techniques moins complexes employees pour les detecteurs de vertex fonctionnant actuellement a LEP et au TeVatron (l'experience CDF rapporte des valeursRjet'200 etEbeaux'50% [25]).

2.2.2.3 Quantite de matiere dans le detecteur interne

Le detecteur interne etant en amont du calorimetre EM, il est important de contr^oler l'epaisseur de matiere traversee par les et les e. Le nombre des conversions de et les pertes d'energie des e par rayonnement de freinage doivent ^etre reduites, an de ne pas aecter les resolutions du calorimetre EM et eviter de rendre plus complexe la reconstruction des trajectoires des particules chargees, notamment des e.

La distribution de la quantite de matiere, exprimee en unites de longueurs de radiations (X) est donnee sur la courbe 2.10 en fonction la pseudo-rapidite [26]x. La valeur maximale de la distribution est de l'ordre de 1 X.

Figure 2.10: Quantites de matiere dans le detecteur central en fonction de jj.