Les tests en faisceau

Le prototype de chambre `a d´erive construit `a Annecy, a aussi permis l’´etude des algorithmes de

reconstruction de traces ainsi que la mesure de la r´esolution sur le dE/dx. Trois p´eriodes de tests

en faisceau, d’une dizaine de jours chacune, ont ´et´e organis´ees : Aoˆut 1997 au PS du CERN,

octobre 1997 au PSI `a Zurich et septembre 1998 au PS au CERN.

Pour r´ealiser ces mesures, il a ´et´e n´ecessaire de compl´eter et modifier la chaˆıne ´electronique de lecture du prototype. De l’exp´erience L3, nous avons r´ecup´er´e, une s´erie de Flash-ADCs [32] ´echantillonnant le signal avec une fr´equence de 100 MHz.

J’ai ´et´e aussi fortement impliqu´ee dans l’organisation des tests en faisceau par mes contributions dans :

– la logistique du transport du prototype, de la cage de Faraday et du syst`eme de gaz sur les lieux du tests.

– l’installation du mat´eriel qui devaient ensuite ˆetre valid´ee par le service s´ecurit´e du PS ou du PSI, car l’utilisation du m´elange explosif H´elium-Isobutane imposait de fortes

contraintes de s´ecurit´e. J’ai ´et´e responsable du groupe en mati`ere de s´ecurit´e lors du dernier test qui s’est d´eroul´e au CERN en septembre 1998.

Durant les trois p´eriodes de tests, j’ai particip´e activement aux prises de donn´ees. Elles se sont succ´ed´ees en faisant varier la valeur de l’impulsion des particules incidentes pions ou protons, puis la valeur de leur angle d’incidence, puis le pourcentage d’Isobutane dans le m´elange ga-zeux. Chaque test en faisceau fut une ´etape qui permit d’une part d’ajuster les r´eglages de la chaˆıne de lecture, d’autre part d’affiner l’algorithme de reconstruction des traces et d’am´eliorer

la compr´ehension des r´esultats exp´erimentaux n´ecessaires `a la mesure de la r´esolution sur la

perte d’´energie par ionisation. L’ensemble de ce travail, dans lequel s’est investi le groupe BaBar du LAPP, a abouti `a l’´ecriture d’une note BaBar ”Study of dE/dx resolution in He-Isobutane mixtures using the Annecy test chamber” [33].

La reconstruction des traces :

Seules ont ´et´e reconstruites les traces traversant les sept cellules centrales de la chambre (le

signal lu devant ˆetre pour chacune d’elle, de 3 sigma au moins sup´erieur `a la valeur du pi´edestal)

L’´etude a ´et´e r´ealis´ee en l’absence de champ magn´etique, avec, en un premier temps, un m´elange standard H´elium-Isobutane et un faisceau de particules arrivant perpendiculairement aux fils sensibles :

– La mesure de la r´esolution sur le temps de d´erive :

La d´etermination du temps de d´erive pour une cellule donn´ee a ´et´e r´ealis´ee par

extrapola-tion des signaux ´echantillonn´es `a 100 MHz d´elivr´es par les FLASH ADCs. La figure 1.17

pr´esente, pour la cellule 1, la distribution obtenue. La mesure du temps de d´erive t_d a ´et´e

ensuite corrig´ee en prenant en compte l’existence de l’offset t₀ dont la valeur a ´et´e estim´ee

par ajustement d’une gaussienne sur la d´eriv´ee de la distribution pr´ec´edente.

La r´esolution alors obtenue sur la mesure du temps de d´erive est de l’ordre de 20 ns, elle ´etait ici limit´ee par l’utilisation d’une ´electronique de lecture ne poss´edant pas d’amplifi-cateurs munis de sortie rapide.

– la mesure de la distance de d´erive :

La d´etermination de la distance de d´erive consiste `a exclure une cellule de la reconstruction

de la trace. La projection dans cette cellule, de la trace ainsi reconstruite est alors prise

comme la distance de d´erive d, `a laquelle est associ´ee le temps de d´erive mesur´e t_d. La

repr´esentation de la distance d en fonction du temps t_d est alors ajust´ee par une fontion

polynˆome d’ordre 2, d(t_d) = a × td+ b × t2

d. De cet ajustement, a pu ˆetre extraite la valeur

de la vitesse de d´erive a = 31.4 mm.µs⁻¹.

Dans le cadre de l’analyse des donn´ees prises en test, j’ai poursuivi l’´etude simul´ee du prototype `

a l’aide du programme Garfield, afin de mieux comprendre la r´eponse de la chambre. Ce travail

a b´en´efici´e des ´echanges que j’ai continu´e `a avoir avec R. Veenhof notamment au sujet des

diff´erentes options possibles qu’offrait le programme. Ce travail a donn´e lieu `a :

– la simulation des lignes de d´erive et des isochrones

– l’´etude du temps d’arriv´ee des ´electrons en comparant les pr´edictions obtenues avec les diff´erentes options, avec ou sans la prise en compte du ph´enom`ene de diffusion et de la formation de nuages d’´electrons primaires et secondaires lors du processus d’ionisation. – la comparaison des r´esultats obtenus entre une cellule du pourtour de la chambre et une

Fig. 1.17 – a) Distribution du temps de d´erive mesur´e sur la cellule 1 par extrapolation des signaux d´elivr´es par les FLASH ADCs. b) D´etermination du t0 par ajustement de la d´eriv´ee de la distribution pr´esent´ee en a).

Ces ´etudes ont fourni la relation temps-distance utilis´ee pour initier la proc´edure it´erative per-mettant l’ajustement de la relation temps-distance sur les donn´ees du test en faisceau.

La mesure du dE/dx :

La mesure de l’´energie d´epos´ee par ionisation dans une cellule n´ecessite la d´etermination, d’une part de la charge collect´ee, d’autre part de l’´el´ement de longueur de la trace reconstruite

contenu dans la cellule. La charge collect´ee a ´et´e mesur´ee `a partir du signal d´elivr´e par l’ADC

”peak-sensing” auquel a ´et´e appliqu´ee une correction prenant en compte les variations du gain

en fonction de la densit´e du m´elange gazeux. Cette calibration a ´et´e r´ealis´ee `a l’aide du signal

source de ⁵⁵F e d´etect´e dans une cellule de r´ef´erence toutes les 30 minutes durant la prise de

donn´ees.

– L’´etude de la r´esolution sur le dE/dx :

Avec le prototype test´e, seules 7 mesures du dE/dx peuvent ˆetre associ´ees `a chaque trace

selectionn´ee. C’est pourquoi plusieurs ´ev´enements ”faisceau” ont ´et´e combin´es afin de

d´eterminer la r´esolution sur le dE/dx atteinte pour 40 d´epˆots d’´energie, nombre attendu

pour une trace typique traversant la chambre `a d´erive Babar. En effet, comme la

distri-bution de l’´energie perdue par ionisation suit une distridistri-bution de Landau caract´eris´ee par

une longue queue correspondant `a des ´energies de transfert ´elev´ee produites au cours de

collisions dures ou de l’´emission d’´electrons delta, un nombre important de mesures de

d´epˆots d’´energie par trace est n´ecessaire afin de d´eterminer la valeur moyenne de l’´energie

perdue < dE/dx > avec une pr´ecision suffisante.

Plusieurs m´ethodes [36] permettent d’extraire la valeur moyenne < dE/dx >, la m´ethode

de la moyenne tronqu´ee [37] a ´et´e utilis´ee pour cette analyse. Suite `a l’´etude que nous

avons r´ealis´ee en faisant varier la fraction du nombre de d´epˆots d’´energie pris en compte,

il a ´et´e montr´e que ne retenir que 70% des d´epˆots les plus faibles permettait d’obtenir

la meilleure r´esolution sur le dE/dx. La r´esolution atteinte fut de 7.1 ± 0.3%. Cette

va-leur ´etait l´eg`erement sup´erieure `a celle obtenue avec le prototype Proto-II de la chambre

`

a d´erive BaBar [35]. Cette diff´erence provenait de l’utilisation d’une ´electronique moins

performante que celle con¸cue pour la chambre `a d´erive BaBar.

Au cours du faisceau test, la r´esolution sur le dE/dx a ´et´e ´etudi´ee en fonction du pour-centage d’Isobutane dans le m´elange gazeux. L’utilisation d’un m´elange compos´e de 30%

d’Isobutane a conduit `a une am´elioration de l’ordre de 0.5% de la r´esolution.

L’´etude de la r´esolution n’a pas montr´e de d´ependance en fonction de la direction des particules incidentes par rapport au fil sensible. Nous n’avons pas non plus observ´e de ph´enom`ene de saturation pour une direction des particules incidentes perpendiculaire au

fil (la haute tension appliqu´ee au fil sensible ´etant limit´ee `a 1750V par l’´electronique que

nous utilisions).

– La mesure de la courbe de Bethe-Bloch :

Pour construire les estimateurs permettant une identication des particules la plus pr´ecise possible, il est n´ecessaire de connaˆıtre les variations de l’´energie perdue moyenne en

fonc-tion du produit βγ avec β la vitesse de la particule et γ = 1/p1 − β2.

La d´ecroissance en 1/β² de la courbe de Bethe et Bloch a ´et´e ´etudi´ee `a l’aide de faisceaux

de protons d’impulsion variant de 0,8 `a 2 GeV/c, la remont´ee relativiste a ´et´e d´etermin´ee

`

a l’aide d’un faisceau de pions d’impulsion ´egale `a 2 GeV/c. La figure 1.18 pr´esente les

r´esultats obtenus pour un m´elange gazeux compos´e de 20% d’Isobutane et 80% d’H´elium, normalis´es de telle sorte que dE/dx/(dE/dx)min = 1.

1.3.5 La chambre de contrˆole int´egr´ee au syst`eme de gaz de la chambre `a