Les détecteurs à grandes rapidités

PHOS est un calorimètre électromagnétique de hautes résolutions (énergie et position) situé à 4,6 m du point d’interaction et couvrant un angle azimutal de 100◦et un domaine en pseudo-rapidité |η|<0,12. Il est constitué de 17 920 voies de détection reparties sur 5 modules dont la surface totale est de 8 m2et le poids de 12,5 tonnes (seuls 3 modules ont été installés). Un module contient 3 584 canaux de lecture. Chaque canal est constitué d’un cristal scintillant PbWO4

couplé à un photodétecteur APD (Avalanche Photo Diode). Le scintillateur assure la conversion de l’énergie des photons en lumière visible qui est ensuite transformée en signal électrique par l’APD. Ce signal est amplifié et transformé en tension par un préamplificateur CSP (Charge Sensitive Preamplifier).

Son rôle est :

- de détecter des photons (0,5<pT<10 GeV/c) et des mesons neutres (π0

pour 1<pT<10 GeV/c, η pour 2<pT<10 GeV/c) au travers de leur dé-croissance dans le canal di-photonique,

- de mesurer des mesons neutres de grandes impulsions afin d’étudier l’at-ténuation des jets à travers des corrélations γ-jet et jet-jet.

Le calorimètre électromagnétique : EMCAL et DCAL (ElectroMagnetic CALorimeter)

EMCAL est un calorimètre électromagnétique situé à 4,28 m du point d’in-teraction qui couvre un intervalle en pseudo-rapidité |η|<0,7 et un angle azi-mutal de 110◦. Il est composé de 11 super-modules, chacun contenant des modules élémentaires en forme de tour. Une tour élémentaire consiste en une succession de 77 couches de plomb (d’une épaisseur de 1,44 mm) et de scin-tillateurs en polystyrène (d’une épaisseur de 1,76 mm), le tout étant enrobé par une couche de dioxyde de titane TiO2qui assure une isolation optique. No-tons qu’une augmentation de la couverture en angle azimutale est désormais permise à l’aide des nouveaux modules installés sous le nom de DCAL.

Son rôle est :

- d’étudier la production de jets à travers la détection des particules char-gées et des photons,

- d’être complémentaire à PHOS,

- d’améliorer la capacité d’ALICE à étudier les photons et les jets de haute impulsion transverse, en particulier la corrélation γ-jet où le photon et le jet sont détectés simultanément.

2.2.3 Les détecteurs à grandes rapidités

Le calorimètre à zéro degré : ZDC (Zero Degre Calorimeter)

Le ZDC est composé de six calorimètres (trois de chaque côté du point d’interaction) : le calorimètre à neutrons (ZDCn), à protons (ZDCp) et électro-magnétique (ZDCem). Les ZDCn et ZDCp sont placés à 116 m du point d’in-teraction et couvrent le domaine en pseudo-rapidité 6,5<|η|<8,8. Le ZDCem

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est situé à 7 m du point d’interaction et couvre le domaine en pseudo-rapidité 4,8<η< 5,7. Ce sont des calorimètres composés d’une série de plaques de mé-tal lourd superposées (matériau absorbeur ou passif), rainurées pour loger une matrice de fibres en quartz (matériau actif).

Les particules de haute énergie traversent le matériau passif et créent une cascade de particules (gerbe). Cette gerbe peut produire de la lumière Cheren-kov dans le matériau actif qui se propage alors jusqu’au bout de la fibre où un photo-multiplicateur la transforme en signal électrique. Les nucléons specta-teurs émis à petit angle sont détectés en utilisant la formule Nspec= EZDC/E_nuc où EZDCest l’énergie déposée dans le calorimètre et Enucl’énergie moyenne du faisceau par nucléon (2,76 TeV dans le cas des faisceaux de plomb).

Son rôle est :

- de mesurer le nombre de nucléons spectateurs de la collision afin de re-monter à la centralité de celle-ci,

- d’estimer les événements issus d’interactions électromagnétique.

Le détecteur de multiplicité des photons : PMD (Photon Multiplicity Detector)

Le PMD, d’une surface active de détection de 2 m2, est situé à une dis-tance de 3,6 m du point d’interaction. Il couvre le domaine de pseudo-rapidité 2,3<η<3,5. C’est un détecteur de haute granularité composé d’un plan de dé-tection VETO, d’un convertisseur et d’un détecteur de type "pied de gerbe" (preshower).

Dans un premier temps le détecteur VETO permet de rejeter les réac-tions liées aux particules chargées. Le passage d’un photon dans le convertis-seur en plomb (de 15 mm d’épaisconvertis-seur) produit une gerbe électromagnétique. Cette gerbe est ensuite analysée par le détecteur preshower qui est composé de chambres proportionnelles à structure en nid d’abeilles fonctionnant avec un mélange gazeux (70% Ar et 30% CO2) et comprenant environ 220 000 voies de lecture.

Son rôle est :

- de mesurer, événement par événement, la multiplicité et la distribution spatiale des photons,

- de fournir des mesures permettant d’étudier le flot : plan de réaction et énergie électromagnétique transverse.

Le détecteur de multiplicité à l’avant : FMD (Forward Multiplicity Detector)

Ce détecteur est installé de part et d’autre du point d’interaction autour du tube du faisceau, couvrant le domaine de pseudo-rapidité -3,4<η<-1,7 et 1,7<η<5,1. Il est constitué de 3 sous-système : FMD1, FMD2 et FMD3, dont chacun est composé de secteurs azimutaux arrangés en un ou en deux anneaux. En fonction du nombre de secteurs, deux types d’anneaux sont à distinguer :

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l’anneau intérieur (I : Inner) et extérieur (O : Outter) contenant respective-ment 20 et 40 secteurs azimutaux. Le FMD1 est constitué d’un anneau de type I et les FMD2 et FMD3 contiennent chacun un anneau de type I et O. Un secteur azimutal de l’anneau I (O) est composé de 512 (256) détecteurs à silicium d’une épaisseur de 300 µm. Chaque anneau est segmenté en 10 240 pistes. Le FMD contient au total 51 200 canaux de lecture.

Son rôle est :

- de mesurer la multiplicité de particules chargées (complétant ainsi l’ITS), - d’analyser les fluctuations de la multiplicité de particules événement par

événement ; et d’étudier le flot.

Le T0

Le T0 est composé de deux parties, le T0A côté A et le T0C côté C, si-tuées respectivement à 350 cm et -70 cm du point d’interaction. Les domaines de pseudo-rapidité sont 4,61<η<4,92 pour le T0A et -3,28<η<-2,97 pour le T0C. Chacun de ces détecteurs est composé de 12 compteurs à effet Cheren-kov (fonctionnant avec comme matériau de radiation du quartz) couplés à des photo-multiplicateurs pour un total de 56 voies de lecture. La résolution tem-porelle est de 37 ps, ce qui permet d’obtenir une précision sur la position du vertex de l’ordre de 1,3 cm.

Son rôle est :

- de délivrer des signaux de déclenchement et de synchronisation entre tous les détecteurs,

- de générer une référence temporelle de la collision pour le détecteur TOF (précision de 50 ps),

- de fournir un signal de pré-déclenchement pour le TRD, - de mesurer la multiplicité de particules,

- de mesurer la position du vertex,

- d’identifier les interactions faisceau-gaz.

Le VZERO (V0)

Le VZERO se compose de deux disques de scintillateurs organiques situés de part et d’autre du point d’interaction : V0A côté A et V0C côté C. Le V0A est placé à une distance de 340 cm du vertex et sa couverture en pseudo-rapidité est 2,8<η<5,1. Le V0C est installé à -90 cm du point d’interaction, devant l’absorbeur frontal du spectromètre à muons, et couvre l’intervalle de pseudo-rapidité -3,7<η<-1,7. Chacun des deux disques est segmenté en 32 compteurs élémentaires distribués sur 4 anneaux concentriques formant ainsi 8 secteurs. Un compteur élémentaire est composé d’un scintillateur avec des fibres optiques de type WLS (WaveLength Shifting). La lumière collectée est transportée vers un photo-multiplicateur installé à 3 m du détecteur. La résolution en temps est de l’ordre de 1 ns.

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Son rôle est :

- de délivrer un signal de déclenchement aux détecteurs centraux,

- de fournir des signaux de déclenchement à seuil suivant la centralité de la collision pour le système A-A

- de compter les événements afin de mesurer la luminosité, - d’identifier les interactions faisceau-gaz.

2.2.4 Systèmes de déclenchement, d’acquisition et de

trai-tement des données

Tous les détecteurs décrits ci-dessus ont des caractéristiques différentes de part la méthode de détection et la technologie utilisées. Une des caractéris-tiques les plus importantes est le temps mis par le système d’acquisition du détecteur pour lire tous les canaux électroniques et en extraire un signal exploi-table. Celui-ci est appelé "temps mort" puisque durant ce temps le détecteur est occupé et ne peut donc pas prendre de nouvelles données. En outre, la grande intensité des faisceaux ne permet pas à ALICE de réaliser une lecture de tous les événements. Il est alors indispensable de trouver un compromis permettant de limiter le temps d’inefficacité associé au "temps mort".

Pour cela, la méthode employée consiste à déclencher la lecture des détec-teurs uniquement lorsque l’événement courant correspond au type que nous souhaitons étudier. Par exemple, il peut s’agir d’événements dits rares qui dis-posent de deux muons vers l’avant susceptibles de provenir de la décroissance d’un quarkonium. De plus, des dispositifs dit de partage du temps d’acquisition (time sharing) et de réduction d’échelle (downscaling) des signaux de déclen-chement permettent également de sélectionner les événements souhaités. La dernière méthode, appliquée manuellement par run lors de la prise de données Pb-Pb 2011, consiste à masquer le signal de déclenchement aléatoirement dans le temps ou suivant les croisements de paquets.

Le système de déclenchement de l’expérience ALICE [204] permet de sélec-tionner des événements à l’aide de plusieurs niveaux en tenant compte des exi-gences physiques et de la bande passante du système d’acquisition DAQ (Data AcQuisition). Un signal de déclenchement provient d’un détecteur comme par exemple le VZERO, le T0, le ZDC, le déclencheur muon ou encore EMCAL. Ces signaux sont envoyés vers un processeur central nommé CTP (Central Trigger Processor) qui est chargé de les traiter. Ensuite, le CTP envoie des signaux aux détecteurs pour que les informations de l’événement soient lues et enregistrées.

Ce système est séparé en trois niveaux (L0,L1 et L2) en fonction de la latence de l’information nécessaire à la décision, c’est-à- dire la durée entre l’interaction primaire, la réception du signal par les détecteurs et son transfert au CTP :

- L0 : il s’agit du niveau le plus rapide de latence 1,2 µs auquel participent le V0, le T0, le TRD et le déclencheur muon. Les autres détecteurs sont trop éloignés ou trop lents pour participer au niveau L0 ;

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- L1 : il dispose d’une latence 6,5 µs et traite les informations des détecteurs ZDC et TRD. C’est à ce niveau, en particulier, que les contaminations électromagnétiques sont rejetées à l’aide du ZDC ;

- L2 : c’est le niveau le plus lent qui prend la décision définitive de conserver ou de rejeter un événement après une latence de 88 µs correspondant au temps de dérive des électrons dans la TPC.

Ce système est complété par un déclencheur de haut niveau noté HLT (High Level Trigger) qui permet d’effectuer une sélection plus fine des événements à travers une pré-reconstruction et une pré-analyse en ligne des données. Le rôle du HLT est de réaliser également une compression les données sans perte d’informations physiques.

La procédure de fonctionnement de la DAQ d’ALICE [201,204] est la sui-vante :

- le transfert des données vers la DAQ commence après réception par les détecteurs du signal de déclenchement de niveau L2,

- les données sont transférées aux LDC (Local Data Concentrators) qui sont chargés de la reconstruction des sous-événements via le DDL (Detector Data Link),

- dans le cas où le LDC est occupé, les données sont stockées dans la mémoire tampon d’une carte RORC (ReadOut Receiver Card),

- les algorithmes du HLT réduisent la taille des données à stocker,

- suivant la décision du HLT, une reconstruction totale ou partielle peut être lancée au niveau du GDC (Global Data Collectors),

- les données reconstruites sont stockées sur des supports permanents PDS (Permanent Data Storage).

Le taux maximum de transfert (après la compression du HLT) est de 1,25 Go/s. Pour le spectromètre à muons, avec un taux d’occupation de 5% et une fréquence du déclencheur muon de 1 kHz, cette bande passante est de l’ordre de 0,24 Go/s.

La reconstruction des données consiste à transformer les données brutes en fichiers ESD (Event Summary Data), de taille beaucoup plus petite, contenant les informations essentielles à l’analyse des collisions. À partir de ces fichiers ESD sont produits des fichiers AOD (Analysis Object Data) dédiés à l’analyse physique. La taille des données accumulées est phénoménale : 1 et 12,5 Mo pour respectivement 1 événement p-p et Pb-Pb. Cela conduit à ∼2 Po/an. C’est pour cette raison que le stockage et le traitement des données sont des aspects tout aussi important que les détecteurs eux-même. Cela a conduit à la mise en place d’une infrastructure informatique nommée LCG (LHC Computing Grid) permettant de distribuer le stockage et l’analyse des données dans plusieurs centres de calcul au niveau mondial.

En parallèle, toutes les informations concernant les détecteurs et les comp-teurs de déclenchement sont stockées dans le Logbook électronique [205,206] et les calibrations et alignements des détecteurs dans un fichier nommé OCDB (Offline Conditions Data Base) [207,208].