II.3 Un calorim etre electromagnetique supplementaire pour l'experience L3
II.3.6 Performances du EGAP
On a teste les performances du EGAP apr es sa mise en place au sein du detecteur L3 gr^ace aux premiers evenements delivres par le LEP en 1996. De 1996 a n 1997, il y a eu 3 periodes de physique pendant lesquelles le LEP a fonctionne respectivement a 161 GeV, 172 GeV et 183 GeV. Au cours des di erents arr^ets techniques, nous avons optimise certains param etres an de rendre maximum le rapport signal sur bruit.
Les calibrations et le niveau de bruit dans le EGAP
Le signal recueilli dans le EGAP est la somme de 2 composantes: une composante non physique de bruit et une composante de signal physique. La composante non physique est constituee de bruit electronique, thermique et lumineux et on peut la mesurer en observant le signal electronique pour chaque voie en l'absence de signal physique. La distribution du signal electronique est alors Gaussienne et la valeur moyenne mesuree s'appelle le piedestal c'est la valeur qui est retranchee au signal electronique pour obtenir le signal physique. La largeur a mi-hauteur de la distribution Gaussienne est le niveau de bruit. La distribution II.21 represente le niveau de bruit pour chacune des voies du EGAP pour l'annee 1996 et pour l'annee 1997. La mesure du bruit est donnee ici en nombres de canaux ADC.
On voit sur cette gure que le niveau de bruit moyen est plus faible pour l'annee 1997 ceci est le resultat des interventions successives, comme nous verrons par la suite, que l'on a menees sur le detecteur depuis son installation an d'en ameliorer les performances. An de conna^"tre la correspondance nombre de canaux ADC !energie, il est necessaire de calibrer toutes les voies sur un signal de physique. Il faut un signal physique constitue de particules electromagnetiques (electrons ou photons) dont l'energie est connue independamment du detecteur que l'on veut calibrer. An d'obtenir une valeur assez precise pour les constantes de calibration, la section ecace du processus doit ^etre grande an d'accumuler beaucoup de statistique dans les briques. Les canaux de physique utilisables pour la calibration sont donc principalement les evenements "Bhabha" e+e;
! Z
! e+e; et les interactions " !e+e;": e+e;
!(e+e;)e+e;.
Les evenements "Bhabha" ont une section ecace qui devient tr es importante lorsque l'energie dans le centre de masse des electrons incidents est ajustee sur la masse du boson Z.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 100 120 140 160 180 200 220 240 Numero de voie
Bruit moyen (ADC)
Donnees 1996 a) 0 5 10 15 20 25 30 100 120 140 160 180 200 220 240 Donnees 1997 b) Numero de voie
Bruit moyen (ADC)
Figure II.21: Niveau de bruit moyen en nombre de canaux ADC mesure dans chaque voie du EGAP. Les 48 voies 101 a 148 appartiennent au c^ote 140o et les 48 autres, 201 a 248, a 40o. Dans les donnees 1996, on remarque que les voies 134 et 235 sont bruyantes. Inutilisables, elles ne sont pas prises en compte en 1997.
Avant chaque prise de donnees a haute energie, le LEP fonctionne dans ces conditions an d'e ectuer les calibrations pour tous les sous-detecteurs. Les electrons "Bhabha" de l'etat nal ont l'energie du faisceau ( 45:6 GeV au pic du Z) ce qui permet de faire une calibration absolue du detecteur apr es avoir selectionne ces evenements. Dans l'angle solide du EGAP, on a trop peu d'evenements "Bhabha" pour faire une calibration voie par voie. An d'obtenir une estimation moyenne de l'energie on fait simplement une calibration globale du detecteur, c'est- a-dire que le m^eme facteur de calibration est applique pour toutes les voies. Le facteur de calibration permet d'exprimer le niveau de bruit moyen en MeV pour chacun des 2 c^otes:
Niveau de bruit moyen pour 40o: 380 MeV / voie
Niveau de bruit moyen pour 140o: 306 MeV / voie
Ceci est le resultat de la premi ere calibration qui a ete obtenue en 1996.
Les evenements "!e+e;"ont quatre electrons dans l'etat nal. Les electrons incidents emettent chacun un photon reel ou virtuel, ils sont di uses a tr es petit angle et restent en general dans le tube faisceau sans ^etre detectes. Les 2 photons emis interagissent pour donner naissance a une paire electron-positon qui restent les seules particules de l'etat nal visibles dans le detecteur. La section ecace de ce processus est tr es grande et augmente leg erement avec l'energie disponible dans le centre de masse des electrons incidents. Le spectre d'energie
des electrons emis est de l'ordre de quelques GeV et la TEC permet alors une mesure precise de l'impulsion, donc une mesure precise de l'energie de ces electrons. La quantite de donnees collectees recemment avec le detecteur L3 a une energie de 183 GeV dans le centre de masse a permis gr^ace a ces evenements "" de faire une calibration entre chacune des voies du EGAP l'analyse developpee pour obtenir ces facteurs d'intercalibration est detaillee dans l'annexe B. Les corrections entre 2 voies peuvent varier d'un facteur 2 et sont principalement dues a la di erence de gain quantique entre les phototriodes comme le suggeraient les mesures des gains lors du faisceau test. La transmission de la lumi ere peut ^etre di erente d'une voie a l'autre a cause de la resine de qualite inegale qui transporte la lumi ere des bres vers les guides en plexiglas. Ces e ets cumules peuvent ^etre corriges par l'intercalibration.
Le contr^ole du fonctionnement des voies.
An de s'assurer que l'electronique de detection (comprenant les phototriodes et la carte electronique de lecture et d'alimentation) fonctionne, un syst eme de diodes electroluminescentes (DEL) a ete mis en place. Ce syst eme a l'avantage de contr^oler, entre les prises de donnees, le fonctionnement de chaque voie du calorim etre a l'interieur m^eme de l'experience L3. Les DEL sont collees sur les guides en plexiglas. Elles emettent une lumi ere verte correspondant a la longueur d'onde de la lumi ere scintillee par les bres a l'interieur des briques. Il est alors possible d'envoyer un signal lumineux pulse au niveau des guides qui est ensuite detecte par les phototriodes puis amplie par la cha^"ne de preamplication. L'analyse du signal de sortie permet de contr^oler le bon fonctionnement de toutes les voies du EGAP. Ce syst eme ne peut malheureusement pas ^etre exploite pour faire une intercalibration des voies car l'intensite lumineuse delivree par les DEL, et l'ecacite de transmission de la lumi ere vers les photo-triodes sont inconnues et di erentes pour chaque voie. Ceci est illustre sur la gure II.22 a) qui montre l'intensite du signal recueilli en nombre de canaux ADC en fonction du numero de voie pour le c^ote 40o.
L'information des DEL n'est utilisable que pour verier l'evolution du signal pour des voies prises une a une. Par exemple la gure II.22 b) montre l'evolution du signal DEL en fonction du temps pour 2 voies di erentes du EGAP. L'unite de temps en abscisse represente environ 1 a 2 jours. Le signal LED est stable en fonction du temps a mieux que 1 %.
Optimisation de la haute tension
Les tests sur les phototriodes 13] ont montre que leur gain dependait faiblement de leur tension d'alimentation. On peut donc chercher a maximiser le rapport signal de LED / bruit en faisant varier la haute tension des phototriodes dans le cas o u le bruit serait fonction de la haute tension. Les resultats de ce test sont resumes dans le tableau II.2.
Le rapport signal sur bruit est maximum pour une alimentation en haute tension de 300 V et est ameliore de 15 % par rapport a la valeur initiale de 800 V utilisee pour la haute tension, le signal de LED a diminue de 10 a 20 % alors que le bruit a diminue d'environ 30 %.
0 500 1000 1500 100 120 140 Numero de voie Signal (ADC) a) 1050 1100 1150 20 30 40 50 60 Indicateur de temps Signal (ADC) b) Canal 3 Canal 4
Figure II.22: La gure a) represente le signal DEL en fonction du no de voie, la gure b) illustre la stabilite du signal DEL dans le temps pour deux voies di erentes.
Diminution du temps d'integration du signal
Le signal en sortie du preamplicateur est integre pendant une duree de 11 s, c'est la valeur du temps d'integration pour le signal du BGO. A priori, la mise en forme d'un signal physique pour les calorim etres a bres scintillantes est tr es rapide et inferieure a la s (cf. reference 10]). D'autre part, le bruit moyen pour chaque c^ote du EGAP varie en fonction du temps d'integration du signal comme le montre la gure II.23 a). Comme pour la haute tension, on peut optimiser le rapport Signal(DEL)/Bruit en fonction du temps d'integration: la gure II.23 b) montre les resultats des mesures.
Malheureusement, les DEL donnent un signal de sortie trop long (2-3s), ceci sugg ere que les mesures precedentes sont de plus en plus fausses lorsque le temps d'integration diminue,
Haute tension (Volts) 50 150
300
450 650 800 Bruit (Nb d'ADC) 40o 21 2122
25 29 33 Bruit (Nb d'ADC) 140o 31 3435
40 44 50 Sig(LED) / Bruit 40o 185 195205
199 189 178 Sig(LED) / Bruit 140o 240 233261
242 243 226Tableau II.2: Mesures du bruit et du rapport Signal/Bruit pour plusieurs valeurs de la haute tension d'alimentation des phototriodes.
T(µs)
Bruit Moyen (ADC)
Θ ~ 40o Θ ~ 140o T(µs) Signal/Bruit Θ ~ 40o Θ ~ 140o a) b) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0 2 4 6 8 10 12
Figure II.23: La gure a) represente la variation du bruit en fonction du temps d'integration du signalT (s), la gure b), la variation du rapport signal sur bruit en fonction de T. on ne peut donc estimer correctement le gain exact de cette operation sur un signal physique que l'on attend plus rapide. Dans le souci de ne pas alterer les signaux physiques, la valeur du temps d'integration a ete diminuee a 5s.
Le bruit correle
Dans les di erentes voies du EGAP on observe un bruit correle: il semble que l'une des principales sources de bruit soit due au bruit electronique et au refroidissement a air situe a l'interieur du tube support. Cet e et est assez delicat a comprendre, il s'agit en fait d'un mouvement d'ensemble des piedestaux entre le moment o u les valeurs des piedestaux sont mesurees et le moment o u on prend des donnees avec le detecteur. An de s'a ranchir du bruit correle, on applique un algorithme qui s'inspire d'une etude anterieure faite pour eliminer ce type de bruit dans le BGO 14]. La methode consiste a comparer le niveau de bruit moyen pour des voies voisines qui semblent avoir un niveau de bruit semblable et a retrancher la valeur moyenne du bruit a ces voies.
Le niveau de bruit actuel et la resolution en energie.
Compte tenu des ameliorations que l'on a apporte au detecteur depuis sa mise en service, le niveau de bruit moyen a baisse d'environ 20 a 25% le niveau de bruit actuel pour chacun des c^otes est:
310 MeV / voie pour 40o,
253 MeV / voie pour 140o.
La resolution mesuree sur les "Bhabha" de 45 GeV (fonctionnement au pic du Z pour la calibration des detecteurs) avant le fonctionnement du LEP a 183 GeV est de:
(E)=E = 17% E 45GeV
Cette mesure est obtenue en incluant les facteurs d'intercalibration obtenus par l'analyse detaillee dans l'annexe B. La resolution obtenue avec les donnees est di erente de la resolution obtenue en faisceau test (equation II.4). Cette derni ere a ete mesuree en un point xe au milieu de la brique, les phenom enes de non-uniformite de collection de lumi ere sont ainsi occultes. Par contre, la resolution mesuree avec les donnees de L3 prend en compte tous les electrons qui interagissent dans l'angle solide du EGAP, les phenom enes de non-uniformite ont ete corriges et les fuites d'energie dans le BGO et le HCAL ont ete prises en compte.