II.6 Les bras muons
II.6.3 Le trajectom`etre `a muons (MuTr)
Le trajectom`etre `a muons (MuTr) a ´et´e con¸cu pour permettre de distinguer le J/ψ dont
la masse est de M = 3, 097 GeV/c2 du ψ′ de masse M = 3, 686 GeV/c2, ainsi que le
Υ(1S) de masse M = 9, 46 GeV/c2 des Υ(2S) et Υ(3S) de masses respectives de 10, 02 et
10, 36 GeV/c2. Pour atteindre cet objectif, la r´esolution n´ecessaire est de ∼ 120 MeV(7). Par ailleurs, il doit avoir une occupation suffisamment faible pour pouvoir reconstruire efficace- ment les trajectoires des particules produites dans les collisions Au+Au centrales, tout en
gardant une bonne efficacit´e dans des ´ev`enements d’occupation plus faible mais o`u le taux
des ´ev`enements est plus important comme dans les collisions p+p et d+A.
II.6.3.1 Structure
Le MuTr mesure les particules charg´ees qui traversent ses trois stations de d´etection. Les stations sont compos´ees de trois, trois et deux chambres (gaps), chacune ´etant form´ee de deux plans de cathodes s´epar´es de 6, 35 mm les uns des autres. Chaque chambre `a cathode `a multi-fils est divis´ee en huit octants, `a leur tour divis´es en demi-octants. Ainsi 512 modules de d´etections ind´ependants composent le MuTr. Chaque chambre est form´ee d’une paire de plans
de cathodes de chaque cot´e du plan de fils d’anode comme sch´ematis´e sur la Fig. II.13. Les
pistes de cathodes font 5 mm de largeur et une seule piste sur deux est lue par l’´electronique. Entre les plans de cathodes, les fils d’anodes de 20 µm d’´epaisseur sont intercall´es avec des fils de cathode (potentiel nul) d’´epaisseur 75 µm, espac´es les uns des autres de 10 mm. Une technologie en nids d’abeille a ´et´e utilis´ee pour la r´ealisation des chambres des station 1 et 3 et une technologie de feuille fine pour la station 2. Le positionnement des pistes de chaque cathode a une pr´ecision de 25 microns. Pour ce faire, la station 1 a ´et´e construite en utilisant de la photolithographie, la station 2 de la gravure ´electrom´ecanique et la station 3 une ´ecriture m´ecanique. La moiti´e des plans de cathodes ont leurs pistes perpendiculaires aux fils d’anodes et repr´esentent les vues dites non st´er´eos, et l’autre moiti´e ont leurs pistes `a des angles st´er´eos variant entre 0 et 11, 25◦. Le Tab. II.4 r´esume l’angle entre les pistes et les fils d’anode pour les diff´erentes chambres(8).
Le m´elange de gaz dans une chambre est 50% d’argon, 30% de CO2, et 20% de CF4. Les hautes
tensions de fonctionnement typiques pour ce gaz sont de 1850 V avec un gain approximatif de 2 × 104. Si trop de hautes tensions sautent pendant la prise de donn´ees, celle-ci doit ˆetre interrompue pour les remonter. Ce ph´enom`ene est particuli`erement fr´equent lorsqu’il y a beaucoup d’humidit´e dans l’air ou lorsque la multiplicit´e des collisions est grande. La charge d´epos´ee dans une chambre par une particule au minimum d’ionisation est de 100 ´electrons. Apr`es d´erive des ´electrons primaires vers les fils d’anode, et multiplication de ces charges au voisinage des fils d’anode, la charge totale sur le fil est de 320 fC environ. Cette charge suit une distribution de Landau. Des ´etudes ont ´et´e r´ealis´ees pour optimiser le fonctionnement de la reconstruction en fonction de la haute tension appliqu´ee aux fils et sont d´etaill´ees dans (7)Dans la pratique, PHENIX n’est pas encore parvenu `a ces distinctions notamment parce que le r´esolution en masse est
d´egrad´ee `a cause de la diffusion multiple des muons dans l’absorbeur, et de l’incertitude sur l’alignement des d´etecteurs. En particulier, le ψ′ne sera pas distingu´e du J/ψ dans les r´esultats de ce manuscrit.
(8)Les signes positifs et n´egatifs (± et ∓) des stations 2 et 3 viennent du fait que les angles st´er´eos des deux demi-octants
Particule 5 mm 6,35 mm Cathodes 10 mm Fil de cathode (V=0) Champ électrique radial signal Fil d’anode (1850V)
Principe de fonctionnement d’une chambre de détection
Piste (V=0)
Dérive des électrons primaires
Fig. II.13 – Fonctionnement d’une chambre de d´etection (gap) avec ses plans de fils d’anodes et de pistes de cathodes non st´er´eos.
le chapitreIII. La charge d´erive vers les pistes d’anode sous l’effet du champ ´electrique radial pr´esent dans les chambres.
Gap 1 Gap 2 Gap 3
cathode 0 cathode 1 cathode 2 cathode 3 cathode 4 cathode 5
station 1 -11.25 0 6 0 11.25 0
station 2 0 ±7.5 0 ±3.75 0 ±11.25
station 3 ∓11.25 0 ∓11.25 0
Tab. II.4 – Angles (en degr´e) des cathodes st´er´eos et non-st´er´eos des cathodes du MuTr Sud.
Les chambres de la station 1 sont situ´ees le plus pr`es de la r´egion d’interaction et sont donc les plus petites : 1,25 m entre le rayon int´erieur et le rayon ext´erieur. Elles ont le taux d’oc- cupation le plus ´elev´e. Elles sont divis´ees en quadrants compos´es chacun de trois chambres `a fils. Pour garder une bonne r´esolution en impulsion, inf´erieure `a 1, 5 GeV, l’´epaisseur de la station 2 est de 0, 1% de la longueur de radiation. Pour cela, les octants des plans de cathode de la station 2 comportent des feuilles de mylar et cuivre de 25 microns. L’´epaisseur de la
feuille de cuivre est de 600 . La structure de la station 2 fait environ 1, 9 × 1, 7 m2. Une
armature en aluminium encadre les chambres des stations. Elle a une plus grande ´epaisseur pour cette station 2 pour contrebalancer l’absence de nid d’abeille. D’autre part, un octant sur deux est d´ecal´e en z de fa¸con `a ce que leurs armatures se chevauchent pour minimiser les zones mortes. La station 3 est la plus grande des trois. Chacun de ses octants mesure 2, 4 m de long et 2, 4 m de large.
II.6.3.2 Alignement
L’alignement des d´etecteurs entre eux est primordial pour reconstruire avec pr´ecision les trajectoires des particules. La position relative des chambres peut varier pendant ou entre
les prises de donn´ees. Par exemple, lors d’un changement de temp´erature de 0, 2◦C, deux
chambres peuvent se d´ecaler de ∼ 20 µm. Le d´emarrage ou l’arrˆet du champ magn´etique peut ´egalement faire bouger une chambre de 60 `a 100 µm. Les chambres peuvent mˆeme ´eventuellement se d´eplacer `a cause de la relaxation m´ecanique.
Un syst`eme d’alignement optique a ´et´e install´e pour calibrer les positions initiales des chambres et pour surveiller les d´eplacements au cours des prises de donn´ees. Ce syst`eme est bas´e sur sept faisceaux optiques plac´es autour des octants des chambres. La lumi`ere
´emise par des sources optiques attach´ees `a la station 1 est d´efl´echie par des lentilles plac´ees sur la station 2 et d´etect´ee par des cam´eras CCD plac´ees sur la station 3. Ce syst`eme n’a pas ´et´e op´erationnel pour l’instant, parce que certaines cam´eras sont d´efectueuses, et pour d’autres, l’alignement initial entre les sources de lumi`ere, les lentilles convexes et les cam´eras CCD n’est pas suffisant. Enfin, une analyse r´ecente des donn´ees montre que cet alignement ne poss`ede pas une pr´ecision suffisante pour corriger les d´eplacements dus `a la mise en route du champ magn´etique. Une autre m´ethode a ´et´e impl´ement´ee en 2006. Celle-ci est bas´ee sur un alignement des d´etecteurs ind´ependants dans trois directions et sera expliqu´ee au paragrapheIII.2.