OPERA, expérience d'apparition de
3.3 Traitement o line des données électroniques
Le détecteur d'OPERA étant un détecteur hybride comporte une partie de détection électronique et une partie passive représentée par les émulsions dans les briques. Le traitement et l'analyse online des événements enregistrés représente une étape intermédiaire importante entre l'acquisition des données par le détecteur électronique et le traitement des émulsions dans les briques qui ont été sélectionnées. Dans le traitement et l'analyse des données électroniques, il s'agit, grâce au programme de recons-truction OpRec, de bien reconstruire les traces des événements dans le détecteur puis d'identi er la trace en 3D du muon (cf. gure 3.14). A l'étape suivante, le programme de caractérisation des in-teractions de neutrinos OpCarac, décrit en détail dans le chapitre 4, est utilisé pour sélectionner les événements qui ont lieu dans la cible, et pour rejeter tous les bruits de fond qui sont générés prin-cipalement par des muons en provenance de la roche. Une fois que les événements sont sélectionnés
par OpCarac, il s'agit d'extraire les briques grâce au Brick nding, un algorithme de localisation des événements dans les briques.
Figure 3.14 Reconstruction du premier événement dans le détecteur électronique. Il s'agit d'une interaction
νμCC DIS où apparaît la trace reconstruite du muon ainsi qu'une gerbe hadronique.
3.3.1 L'identi cation du muon
Les événements charmés constituent la principale source de bruit de fond pour tous les canaux de désintégration du tau. En vue d'un bon rejet des particules charmées qui sont produites dans les interactions νμ CC, le niveau d'e cacité recherché dans l'identi cation du muon doit être au moins de 95% pour les νμCC avant la recherche de connexion entre la trace du muon identi ée dans les détecteurs électroniques et celle dans les émulsions. Ce niveau d'e cacité est exigé par les conditions même de l'expérience. Avec 4.5 1019 p.o.t. sur 5 ans, on s'attend à avoir 10 événements tau, aussi le niveau de bruit de fond doit être maintenu à moins d'un événement (0.75), si nous voulons avoir un résultat probant de l'ordre de 4σ sur l'apparition du tau, ce qui représente l'observation d'au moins 6 événements tau. Parmi les 0.75 événements attendus de bruit de fond, 0.49 vient des particules charmées (cf. tableau 7.16), résultant principalement des 5% d'ine cacité dans les événements νμCC
où le muon primaire n'a pas été identi é.
L'identi cation du muon dans les détecteurs électroniques est donc essentielle :
• pour réduire le bruit de fond des événements charmés par l'identi cation du muon primaire des
événements νμCC dans lesquels ils sont produits,
• pour avoir une bonne e cacité d'identi cation du muon dans la désintégration du tau dans le
canal muonique,
• pour exploiter la trace du muon a n de bien sélectionner la brique à extraire par le biais de
l'algorithme du Brick nding.
Le taux de 95% dans l'identi cation du muon doit être obtenu tout en minimisant la contamination des faux muons dans les événements NC qui est de l'ordre de 19%.
L'identi cation du muon est basée sur la longueur de la trace parcourue par le muon [39] [40] [41]. Contrairement aux hadrons et aux électrons,les muons sont des particules pénétrantes,car ils ne perdent pas leur énergie par interaction (comme les interactions hadroniques) ou par rayonnement, mais uniquement par ionisation. Un muon de plus de 3 GeV est capable de traverser entièrement un super-module. Les plans traversés par le muon dans les détecteurs électroniques comme dans le spectromètre sont traités de manière identique,car le rapport ci-dessous pour chacun est similaire :
ρ(P b)L(P b)
λI(P b) = 0.33 ≈
ρ(F e)L(F e)
λI(F e) = 0.3 (3.1) où λI est la longueur d'interaction hadronique, ρ la masse volumique et L l'épaisseur de plomb dans les briques ou l'épaisseur dans les plans de fer. De même les énergies perdues par le muon dans le mur/plaque au minimum d'ionisation sont proches : 71.4 MeV pour le mur de briques et 57.1 MeV pour la plaque de fer. Le pouvoir de ltrage relatif aux muons par rapport aux hadrons est similaire dans les deux matériaux si l'on compare les rapports 71.4/0.33 et 57.1/0.3 qui dièrent seulement de 13.5%.
Figure 3.15 Comparaison données (en noir)/MC (en rouge) de la distribution nombre de murs traversé × densité par le candidat muon. La distribution MC a été normalisée à celle des données [42].
Une trace est reconnue comme appartenant à un muon lorsque sa longueur est égale ou supérieure à une dizaine de murs traversés. En dessous de cette valeur,il est di cile de diérencier la trace d'un muon des autres traces dans les détecteurs électroniques,car le muon de faible énergie est caché dans la gerbe hadronique,ce qui représente 5% des cas dans les événements νμCC.
Le critère d'identi cation du muon repose sur une coupure sur la longueur de la plus longue trace 3D reconstruite multiplié par la densité des matériaux traversés :
i
Δli< ρi >
où Δli est la longueur du segment de la trace et ρi est la moyenne de la densité du matériel le long de Δli. Si cette quantité excède 660 g/cm2,la trace est en première approximation identi ée alors comme étant la trace d'un muon (cf. gure 3.15).
Comme les muons résultant de la désintégration du tau sont généralement peu énergétiques, du fait qu'ils emportent environ un tiers de l'énergie du tau avec eux, il importe de pouvoir diérencier un événement tau d'un événement charmé a n de réduire encore davantage les bruits de fond. Au chapitre 6, nous présenterons une étude basée sur des critères cinématiques et topologiques pour construire des fonctions de vraisemblances permettant la séparation du signal de son bruit de fond.
Dans les événements où l'identi cation du muon est rendue possible, la trace du muon dans le détecteur électronique doit être connectée à celles qui sont trouvées dans la brique pour déterminer s'il s'agit d'un événement tau, charmé ou tout simplement d'un νμCC. Si la trace du muon est connectée à une trace du vertex primaire où s'est produite l'interaction, il s'agit d'un événement νμCC ou d'un événement charmé. Si la trace du muon est connectée à une trace " lle", appartenant au vertex secondaire, il peut s'agir d'un événement tau, si la charge mesurée du muon est négative, ou bien d'un événement charmé, si la charge du muon est positive. Il peut cependant se présenter des cas où il y a une mauvaise connexion de la trace du muon avec celle d'un hadron qui, sous l'eet de la diusion multiple coulombienne, a une topologie en coude ; ce qui peut conduire à une confusion avec la désintégration du tau. Une étude approfondie sur la connexion entre la trace du muon dans les détecteurs électroniques et dans la brique sera présentée au chapitre 5.
3.3.2 La reconstruction des traces dans les détecteurs électroniques avec OpRec
Le programme de reconstruction OpRec a été développé [40] pour reconstruire les données réelles ou simulées. Il se décompose en plusieurs sous-programmes. Le premier d'entre eux, P attern a pour fonction de reconstruire les traces à partir des hits enregistrés dans les détecteurs électroniques lors du passage d'une particule chargée. Des segments de trace sont reconstruits dans chaque détecteur. Ces segments sont ensuite connectés entre eux pour reconstruire une trace dans l'ensemble d'un module, puis les traces obtenues dans chaque module sont raccordées entre elles. Chaque super-module comporte trois zones identi ées séparément par OpRec :
• les scintillateurs du trajectographe
• les RPC du premier bras du spectromètre
• les RPC du deuxième bras du spectromètre accompagnées des deux dernières stations de tubes
à dérive
Viennent ensuite T racking et Kalman qui reconstruisent l'impulsion et la position de départ de la trace. En n, le sous-programme muon identi cation prend en charge l'identi cation du muon en première instance au niveau de la trace reconstruite dans les détecteurs électroniques.
3.3.3 La caractérisation des événements avec OpCarac
Le programme de caractérisation OpCarac [43], sert à classi er les événements reconstruits par OpRec. En exploitant la topologie des événements et le Veto, l'algorithme de classi cation distingue 5 catégories d'événements : • Frontmuon • Sidemuon • Spectro • External Particle • Contained
Les événements dits Contained sont des interactions de neutrinos (CC ou NC) qui se sont produites à l'intérieur du volume duciel de la cible. Ces événements sont sélectionnés pour être traités par la suite par le programme du Brick nding dont la tâche sera de localiser des briques dans lesquelles se sont produits ces événements.
Les événements dits F rontmuon, Sidemuon représentent pour la très grande majorité des cas des traces laissées par des muons qui ont été produits en amont de la cible lors de l'interaction des neutrinos avec la roche ou bien avec les matériaux qui se trouvent à l'intérieur du Hall C. Les événements dits
Spectrosont des interactions de neutrinos dans les plaques de fer du Spectromère.
Les événements dits External P article sont caractérisés par un faible nombre de hits enregis-trés par les détecteurs électroniques. Ces événements sont distribués en général en bordure du volume duciel, et représentent l'interaction de particules externes de faible énergie avec le détecteur. Les évé-nements appartenant à ces 4 dernières catégories d'évéévé-nements sont rejetés. De plus amples explications seront données dans la suite au chapitre 4.
3.3.4 Localisation de la brique par le Brick Finding
Les informations fournies en temps réel par les détecteurs électroniques sur l'identi cation du muon, la reconstruction des traces, la reconstruction du vertex tridimensionnel sont exploitées par l'algorithme du Brick Finding pour identi er et la position du mur où l'interaction s'est produite, et l'emplacement de la brique qui est à extraire pour être analysée.
Les e cacités de localisation du mur et de la brique ont été calculées pour les diérents canaux de désintégration du tau (τ → μ, e, h) (cf. tableau 7.4). Elles sont cependant aectées par le phénomène de rétrodiusion où les particules produites par l'interaction du neutrino réinteragissent avec les noyaux de la cible pour produire d'autres particules qui peuvent diuser dans le sens inverse du faisceau. Détectées par les trajectographes en amont, ces particules rétrodiusées induisent en erreur la prédiction du mur d'interaction.
Le programme Brick nding détermine pour chaque événement une liste de briques candidats clas-sées par niveau de probabilité. La brique la plus probable va être extraite et les deux feuilles d'émulsion amovibles (CS) associées à la brique sont scannées a n de localiser les traces de l'interaction. Si aucune trace n'est observée dans les CSpar rapport aux prédictions, une deuxième brique de la liste est alors extraite. De cette manière, une stratégie de multi-extraction permet d'augmenter les e cacités de lo-calisation de la brique où s'est produite l'interaction. Ceci induit de fait une augmentation de charge de travail au niveau du scanning pour véri er la présence des traces dans plusieurs CS.