Les d´etecteurs situ´es aux petits angles

Plusieurs d´etecteurs situ´es aux petits angles viennent s’ajouter `a la partie centrale et au spectrom`etre `a muons. De tailles plus modestes, ils sont tr`es sp´ecialis´es et permettent no-tamment d’obtenir des informations sur les caract´eristiques de l’´ev´enement (centralit´e, multi-plicit´e, etc). Nombre d’entre eux sont ´egalement utilis´es en tant que source de d´eclenchement. 2.2.3.1 Le PMD (Photon Multiplicity Detector)

Le PMD (Photon Multiplicity Detector) est un d´etecteur d´edi´e `a la mesure des photons dans le domaine en pseudo-rapidit´e 2.3 ≤ η ≤ 3.7. Ses principaux objectifs sont :

– la mesure de la la multiplicit´e de photons ;

– la mesure de la distribution spatiale (η − φ) des photons ;

– l’estimation, ´ev´enement par ´ev´enement, de l’´energie ´electromagn´etique transverse et du plan de r´eaction.

Fig. 2.16 – Sch´ema du d´etecteur PMD.

En raison de l’importante densit´e de particules dans le domaine en η consid´er´e, une mesure des photons par calorim´etrie n’est pas envisageable. Le PMD utilise donc une m´ethode de d´etection bas´ee sur la mesure des pieds de gerbes (ou ”preshower”). Il se compose donc d’un convertisseur en plomb de 15 mm d’´epaisseur (correspondant `a 3 longueurs de radia-tion) situ´e entre 2 plans de compteurs proportionnels `a gaz de haute granularit´e de lecture. Le premier plan est utilis´e en tant que veto pour les particules charg´ees, avec une efficacit´e de 96%, tandis que le second est utilis´e comme d´etecteur de pied de gerbe et est d´edi´e `a

2.2. L’exp´erience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) 55 l’identification des photons. Ce dispositif permet une efficacit´e moyenne de comptage des photons d’environ 56%.

Le d´etecteur PMD (cf. figure 2.16) se situe `a 3.64 m du point d’interaction, du cot´e oppos´e au spectrom`etre `a muons. Chacun des 2 plans repr´esente un rectangle de 150 × 170 cm2

segment´e en 24 modules de 4608 canaux de lecture. La totalit´e de d´etecteur compte ainsi plus de 220 000 voies de lecture, pour une surface active de 2.59 m2.

2.2.3.2 Le FMD (Forward Multiplicity Detector)

Le FMD (Forward Multiplicity Detector) a pour but de compl´eter l’ITS en fournissant des informations sur la multiplicit´e de particules charg´ees dans les domaines en pseudo-rapidit´e −3.4 < η < −1.7 et 1.7 < η < 5.0. Il permet ´egalement une d´etermination du plan de r´eaction ainsi qu’une ´etude des fluctuations de multiplicit´e ´ev´enement par ´ev´enement.

Fig. 2.17 – Sch´ema du d´etecteur FMD.

Comme l’illustre la figure 2.17, le FMD est constitu´e de 3 sous-ensembles de d´etecteurs silicium en forme d’anneau : FMD1, FMD2 et FMD3. Les FMD2 et FMD3 sont situ´es `a respectivement 75.2 et 62.8 cm de part et d’autre du point d’interaction, et couvrent approximativement la mˆeme acceptance. Ils se composent tous les deux d’un anneau de grande taille (15.4 cm de rayon interne et 28.4 cm de rayon externe) et d’un anneau de petite taille (4.2 cm de rayon interne et 17.4 cm de rayon externe). Le FMD1 est, quant `a lui, plac´e `a 3.2 m du point d’interaction, du cot´e oppos´e au spectrom`etre `a muons. Il est constitu´e d’un unique anneau de petite taille et permet d’augmenter la couverture en pseudo-rapidit´e jusqu’`a η = 5.0. La totalit´e du d´etecteur compte plus de 51 000 voies de lecture.

56 CHAPITRE 2. Le d´etecteur ALICE 2.2.3.3 Le T0

Le T0 est un d´etecteur rapide d´edi´e `a l’´etude de certaines caract´eristiques de l’´ev´enement. Ses objectifs sont de :

– fournir une r´ef´erence temporelle (le ”T0”) fixant l’instant de la collision pour le d´etecteur TOF et d´elivrer un signal de ”pre-trigger” au d´etecteur TRD ;

– mesurer la position du vertex primaire d’interaction et g´en´erer un signal de d´eclenchement s’il est inclu dans un intervalle pr´ealablement d´efini ;

– mesurer la multiplicit´e de particules et g´en´erer un signal de d´eclenchement (”minimum bias”, ”semi-central” ou ”central”) en compl´ement du d´etecteur V0 (cf. §2.2.3.4). Les signaux de d´eclenchement g´en´er´es font partie du trigger de niveau L0 (cf. §2.2.4.1).

Fig. 2.18 – Sch´ema montrant l’emplacement du d´etecteur T0 au sein d’ALICE. Le d´etecteur T0 se compose de 2 sous-ensembles, le T0-A et le T0-C, de 12 compteurs CHERENKOV `a radiateur `a quartz chacun. Ils sont situ´es au plus pr`es du faisceau, de part et d’autre du point d’interaction, `a respectivement 3.75 m et 72.7 cm (cf. figure 2.18). Ils couvrent les domaines en pseudo-rapidit´e −3.28 ≤ η ≤ −2.97 (T0-C) et 4.61 ≤ η ≤ 4.92 (TO-A).

Le T0 est ´equip´e d’une ´electronique rapide qui lui permet de pr´esenter un temps mort inf´erieur `a 25 ns et d’atteindre une r´esolution en temps ´egale `a σ = 37 ps. Il est ´egalement capable de mesurer la position du vertex avec une pr´ecision de ±1.5 cm.

2.2.3.4 Le V0

Le V0 est un d´etecteur situ´e aux petits angles destin´e `a affiner le syst`eme de d´eclenchement d’ALICE. Il a pour but de :

– d´elivrer un trigger ”minimum bias” lors des collisions p-p et Pb-Pb ;

– d´elivrer deux triggers de centralit´e (”semi-Central Trigger” et ”Central Trigger”) en collisions Pb-Pb via une mesure de la multiplicit´e ;

– participer `a la mesure de la luminosit´e en collisions p-p avec une pr´ecision de l’ordre de 10%.

2.2. L’exp´erience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) 57 Les signaux de d´eclenchement g´en´er´es font partie du trigger de niveau L0 (cf. §2.2.4.1).

Le V0 est constitu´e de 2 matrices de scintillateurs situ´ees de part et d’autre du point d’interaction :

– le V0A : il est plac´e `a 3.4 m du point d’interaction, du cot´e oppos´e au spectrom`etre `a muons, et couvre le domaine en pseudo-rapidit´e 2.8 < η < 5.1. Il prend la forme d’un disque de 35 cm de rayon externe, segment´e en 32 scintillateurs r´epartis en 4 anneaux et 8 secteurs de 45◦

en azimut.

– le V0C : il est implant´e juste avant l’absorbeur frontal du spectrom`etre `a muons, `a 90 cm du point d’interaction. Il s’agit d’un disque de 45 cm de rayon externe couvrant le domaine en pseudo-rapidit´e −3.7 < η < −1.7. Comme l’illustre la figure 2.19 (`a droite), il est segment´e en 48 scintillateurs arrang´es suivant 2 anneaux internes de 8 scintillateurs et 2 anneaux externes de 16 scintillateurs. Les scintillateurs des 2 anneaux externes sont group´es par 2 afin de ne former qu’un seul ´el´ement de d´etection.

Notons que les acceptances du V0C et du spectrom`etre `a muons se recouvrent sur l’intervalle en pseudo-rapidit´e −3.7 < η < −2.5. Ainsi, lors des analyses ”hors ligne”, l’absence de signal dans le V0C peut ˆetre utilis´ee pour rejeter une part importante du bruit de fond, pour les ´ev´enements muons, provenant des interactions ”beam-gas” (et ´evaluer leur taux).

Fig. 2.19 – Sch´ema illustrant la segmentation du d´etecteur V0C. 2.2.3.5 Le ZDC (Zero Degree Calorimeter)

Le ZDC est constitu´e d’un ensemble de d´etecteurs situ´es au plus proche des faisceaux. En collisions d’ions lourds, ils ont pour but de mesurer l’´energie EZDC d´epos´ee par les nucl´eons dits spectateurs, N_spectateurs, ce qui permet de remonter au nombre de nucl´eons participants,

58 CHAPITRE 2. Le d´etecteur ALICE Nparticipants. Lorsque tous les nucl´eons spectateurs sont d´etect´es, ce nombre est donn´e par :

EZDC = Enucleon× Nspectateurs (2.2)

Nparticipants= A − Nspectateurs (2.3)

o`u A est le nombre de masse du noyau et Enucleon est l’´energie par nucl´eon du faisceau d’ions. Le nombre de participants est directement li´e `a la g´eom´etrie de la collision et permet d’obtenir des informations sur la centralit´e. Ces informations sont par ailleurs utilis´ees afin de g´en´erer un signal de d´eclenchement de niveau L1. Le ZDC peut ´egalement fournir une estimation du plan de r´eaction lors de collisions d’ions lourds.

Fig.2.20 – Sch´ema de la ligne de faisceaux du cot´e oppos´e au spectrom`etre `a muons illustrant les localisations du ZN, ZP et ZEM. Les positions des dipˆoles (Dx) et quadrupˆoles (Qx) sont ´egalement indiqu´ees.

Le ZDC est constitu´e de 2 sous-ensembles situ´es de part et d’autre de la caverne ALICE, `a 116 m du point d’interaction. Chacun se compose d’un calorim`etre `a neutrons (ZN) et d’un calorim`etre `a protons (ZP) de respectivement 7.04 × 7.04 × 100 et 12 × 22.4 × 150 cm3

de volume. Comme l’illustre la figure 2.20, le ZN est plac´e entre les 2 tubes `a vides, `a 0◦

par rapport `a l’axe du LHC, tandis que le ZP se situe `a l’ext´erieur, du cot´e o`u les particules positives sont d´evi´ees par les aimants du LHC.

Le ZN et le ZP utilisent une technique de calorim´etrie `a base de fibre de quartz : la gerbe induite par les particules incidentes dans un absorbeur rayonne par effet CHERENKOV dans des fibres de quartz ins´er´ees tout le long de l’absorbeur. Le signal est ensuite mesur´e par des photo-multiplicateurs et permet d’acc´eder `a l’´energie d´epos´ee. Le ZN pr´esente un absorbeur en tungst`ene d’une ´epaisseur de 251 X0, tandis que l’absorbeur du ZP est constitu´e de laiton sur une longueur ´equivalente `a 100 X0.

Des tests effectu´es au SPS avec des faisceaux de hadrons d’une ´energie de 50 `a 150 GeV ont montr´es que, en extrapolant aux ´energies du LHC (2.76 T eV /nucleon pour des fais-ceaux de plomb), la r´esolution sur l’´energie reconstruite par le ZN (ZP) serait proche de 11.4% (13%).

Lors des collisions ultra-p´eriph´eriques, les nucl´eons spectateurs restent dans le tube `a vide et aucun signal n’est pr´esent dans le ZN et le ZP. Afin de lever l’ambigu¨ıt´e avec les

2.2. L’exp´erience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) 59 collisions les plus centrales (pour lesquelles le nombre de spectateur est tr`es faible), le ZEM a ´et´e implant´e en compl´ement du ZN et du ZP. Il a pour principal objectif de mesurer les photons provenant de la d´ecroissance des pions neutres qui sont produits massivement lors des collisions centrales `a l’inverse des collisions ultra-p´eriph´eriques pour lesquelles aucun signal n’est pr´esent dans le ZEM.

Le ZEM est compos´e de 2 calorim`etres ´electromagn´etiques de petite taille et est implant´e `a ∼ 7 m du point d’interaction, du cot´e oppos´e au spectrom`etre `a muons (cf. figure 2.20). Il couvre le domaine en pseudo-rapidit´e 4.8 < η < 5.7. et utilise la mˆeme technique de d´etection que le ZP et le ZN avec un absorbeur en plomb de 35.4 longueurs de radiations. La r´esolution en ´energie du ZEM a ´et´e estim´ee, par simulation, entre moins de 1% pour les collisions Pb-Pb centrales et 1.8% pour les plus p´eriph´eriques.