Le tonneau central et les d´etecteurs globaux

Cette section pr´esente un tour d’horizon rapide des d´etecteurs globaux et du ton- neau central. Une plus grande attention sera accord´e `a l’ITS, car il sera utilis´e dans les ´etudes pr´esent´ees dans cette th`ese.

Le tonneau central couvre le domaine en pseudo-rapidit´e |η| < 0,9. Il se compose de d´etecteurs situ´es en couches concentriques autour du point d’interaction. Ces d´etec- teurs se trouvent dans un champ magn´etique de 0,5 T. L’int´erˆet du champ magn´etique est de courber la trajectoire des particules charg´ees, permettant ainsi de calculer leur impulsion. Chaque d´etecteur a un rˆole particulier, comme l’identification des parti- cules ou la d´etermination de l’impulsion. En mettant leurs r´esultats en commun, ils am´eliorent ainsi la r´esolution et l’efficacit´e de la trajectographie.

ITS : Inner Tracking System

C’est un d´etecteur `a Silicium, comprenant six couches situ´ees `a une distance radiale entre 4 et 44 cm du point d’interaction, couvrant un domaine de pseudo-rapidit´e |η| < 1,4 (cf figure 2.2) [69]. L’ITS est en fait le regroupement de trois d´etecteurs de Silicium, utilisant trois technologies diff´erentes.

– Le SPD (Silicon Pixel Detector) : les deux couches les plus proches du point d’interaction, des pixels de Silicium.

– Le SDD (Silicon Drift Detector) : les deux couches centrales, des d´etecteurs Sili- cium `a d´erive.

– Le SSD (Silicon Strip Detector) : les deux derni`eres couches, des d´etecteurs Sili- cium `a pistes.

Chaque partie poss`ede une r´esolution et une granularit´e diff´erente : plus le d´etecteur est proche du point d’interaction, meilleures elles sont.

Figure<sub>2.2 – Gauche : sch´ema des deux couches internes de l’ITS, le SPD. Le diam`etre</sub> de la couche interne est 8 cm. droite : photographie de la couche la plus externe de l’ITS, le SSD. Son diam`etre est de 88 cm.

– La localisation du vertex de la collision entre les particules du faisceau (pp ou PbPb), et des vertex des d´esint´egration secondaires produisant les particules ´etranges et charm´ees.

– L’identification des particules d’impulsion transverse inf´erieure `a 100 MeV·c−1

– Une estimation de la multiplicit´e en particules charg´ees de la collision dans ce domaine en rapidit´e.

Une particule traversant l’ITS laisse un impact dans chacune de ces couches. La reconstruction de l’´ev´enement relie ces impacts en traces. Ces traces peuvent alors ˆetre utilis´ees pour compl´eter les traces des autres d´etecteurs du tonneau central. Il est ´egalement possible de reconstruire des morceaux de traces, en ne consid´erant que les impacts dans le SPD, le SDD ou le SSD. Les donn´ees du SPD en particulier peuvent ˆetre utilis´ees ind´ependamment du reste de l’ITS pour obtenir une estimation de la multiplicit´e. C’est de cette mani`ere qu’il sera utilis´e dans cette ´etude (cf chapitre 5).

Enfin, le SPD fait partie du syst`eme de d´eclenchement d’ALICE pour les ´ev´enements minimum bias. Si un impact est laiss´e dans une de ses deux couches, l’acquisition d’un ´ev´enement est d´eclench´e.

Les autres d´etecteurs du tonneau central

Le but du tonneau central est `a la fois l’identification des particules et l’estimation de leur grandeurs cin´ematiques : trajectoire, ´energie, impulsion. ALICE s’int´eressant principalement aux collisions d’ions lourds, les d´etecteurs doivent ˆetre capables de sup- porter de grandes multiplicit´es, de l’ordre du millier de particules par ´ev´enements. Par ordre de distance croissante au point d’interaction, les d´etecteurs du tonneau central sont :

La TPC : Time Projection Chamber (cf figure 2.3 [70]). La chambre `a projec- tion temporelle est le d´etecteur principal du tonneau central. Le but de la TPC est l’identification des particules charg´ees et la mesure de leur impulsion par leur courbure dans le champ magn´etique. Sa r´esolution en impulsion transverse pour les particules avec pT < 1 GeV·c−1 est de l’ordre de 1%, et jusqu’`a 10% pour des

pT < 100 GeV·c−1 en utilisant les autres d´etecteurs afin d’affiner la mesure.

Le TRD : Transition Radiation Detector (cf figure 2.4 [71]) . Cette chambre `a rayonnement de transition couvre le mˆeme domaine en rapidit´e que la TPC. Son principal objectif est une meilleure identification des ´electrons avec une impulsion transverse pT > 1 GeV·c−1, permettant ainsi de mieux les distinguer des pions

poss´edant une mˆeme impulsion. Cette diff´erentiation permet d’´etudier le spectre di-leptonique, en particulier les r´esonances.

Le TOF : Time Of Flight (cf figure 2.5 [72]). Ce d´etecteur de temps de vol en- toure compl`etement la TRD, couvrant ainsi le mˆeme domaine en rapidit´e. Son but est une meilleure identification des particules aux ´energies interm´ediaires, entre 0,2 et 2,5 GeV, majoritaires dans une collision `a ces ´energies. Ainsi, le couplage ITS, TPC, TRD et TOF permet une s´eparation des pions, kaons et protons dans chaque ´ev´enement.

HMPID : High Multiplicity Particle IDentification (cf figure 2.6 [73]). C’est un d´etecteur `a rayonnement Cherenkov, couvrant un domaine en pseudo-rapidit´e de |η| < 0, 6, et un domaine azimuthal de 58◦<sub>. Le HMPID est d´edi´e `a l’´etude des</sub>

hadrons de pT sup´erieur `a 1 GeV·c−1 en particulier.

Le PHOS : PHOton Spectrometer (cf figure 2.7 [74]). C’est un d´etecteur de pho- tons, couvrant un faible domaine en rapidit´e de |η| < 0, 12, et avec une couverture azimuthale de 100◦_{. Son but est l’´etude des propri´et´es de l’´etat initial, comme sa}

temp´erature ou son extension spatio-temporelle via l’´etude de la production des photons thermiques. Il est ´egalement capable d’´etudier l’att´enuation des gerbes par la mesure du spectre en π0_.

EMCal : ElectroMagnetic Calorimeter (cf figure 2.8 [75]). C’est un calorim`etre d’acceptance |η| < 0,7 et de couverture azimuthale de 100◦_{. Il a la capacit´e de me-}

surer `a la fois les particules neutres et charg´ees, et est utilis´e principalement pour la d´etection des gerbes. Ce d´etecteur n’´etait initialement pas pr´evu dans ALICE, et son installation ne s’est termin´ee que d´ebut 2011. Une extension d’EMCal, appel´ee DCal et servant `a augmenter sa couverture azimuthale, est en cours de construction. Son installation devrait commencer lors de l’arrˆet du LHC en 2013. PMD : Photon Multiplicity Detector (cf figure 2.9 [76]). C’est un d´etecteur de

photon situ´e `a grande rapidit´e : 2, 3 < η < 3, 5. Il a pour but la mesure des pho- tons afin d’´evaluer l’´energie ´electromagn´etique transverse de la collision.

Les d´etecteurs globaux

Ce sont des d´etecteurs servant `a obtenir des informations g´en´erales sur la collision, en particulier une estimation du nombre de particules produites, et dans le cas des collisions d’ions lourds, du param`etre d’impact, et donc de la centralit´e. Ces d´etecteurs sont g´en´eralement compos´es de deux parties situ´ees de part et d’autre du point d’in- teraction, `a des rapidit´es sup´erieures au domaine du tonneau central. Ces d´etecteurs sont [77] :

Figure _{2.3 – Sch´ema de fonctionnement de la TPC (gauche) et photographie de son} installation (droite).

Figure _{2.4 – Sch´ema du TRD (gauche), et photographie de l’installation du premier} supermodule (droite). A l’heure actuelle, 13 des 18 supermodules qui constituent le TRD son install´es.

Figure _{2.5 – Sch´ema du TOF et de son assemblage (gauche) et photographie d’un} supermodule avant son installation (droite).

Figure _{2.6 – Sch´ema de modules du HMPID (gauche), et photographie de son instal-} lation (droite).

Figure_{2.7 – Sch´ema des cinq modules de PHOS (gauche), et photographie des cristaux} d’un module (droite).

Figure _{2.8 – Sch´ema de EMCAL avec sa composition en supermodules et tours} (gauche), et photographie des premiers supermodules install´es (droite).

Figure _{2.9 – Photographie du PMD lors de son installation, en particulier les cartes} de lectures. Le tube faisceau est visible au centre.

Figure_{2.10 – Sch´ema du FMD (gauche) et photographie d’une partie du FMD install´e} (droite).

Le FMD : Forward Multiplicity Detector (cf figure 2.10). Comme son nom l’in- dique, c’est un d´etecteur de multiplicit´e aux grandes rapidit´es. Il permet ´egale- ment de d´eterminer le plan de la r´eaction de la collision, qui sera utilis´e dans la plupart des ´etudes.

Le V0 (cf figure 2.11). C’est ´egalement un d´etecteur capable de donner une estima- tion de la multiplicit´e et de la centralit´e de la collision. Similairement au SPD, il fait partie du syst`eme de d´eclenchement des ´ev´enements minimum bias d’ALICE. Les deux parties du V0, le V0C (cˆot´e spectrom`etre `a muons) et V0A (autre cˆot´e) sont situ´ees `a des distances diff´erentes du point d’interaction : 90 cm et 340 cm respectivement. Dans une collision, l’´ecart en temps entre les moments o`u chaque partie est touch´ee permet une estimation de la position du vertex selon l’axe fais- ceau. En particulier, cela permet de rejeter les ´ev´enements dus `a des interactions faisceau-gaz ayant lieu en dehors de la zone d’interaction des faisceaux.

Le T0 (cf figure 2.12). Un autre d´etecteur donnant une estimation de la multiplicit´e et de la position du point d’interaction selon l’axe faisceau. En plus de cela, il donne le temps de r´ef´erence au TOF, dans le tonneau central.

Le ZDC : Zero Degree Calorimeter. C’est un d´etecteur situ´e loin du point d’in- teraction, servant `a d´etecter les nucl´eons n’ayant pas particip´e `a la collision. Cela permet une autre estimation de la centralit´e de la collision. Il se d´ecompose en trois types de d´etecteur. Le ZEM, situ´e `a 7 m de part et d’autre du point d’inter- action selon l’axe faisceau. Le ZN et ZP sont situ´es `a 116 m, et servent `a d´etecter les neutrons et protons restant apr`es la collision. A une telle distance, ces protons et neutrons ont ´et´e s´epar´es par le champ ´electromagn´etique du LHC.