2.2 Le détecteur DØ
2.2.3 Les trajectographes
Une bonne détection et mesure des traces est essentielle pour de nombreux aspects de la physique abordée à DØ. Les analyses qui étudient le quark top ou le quark b, ou requièrent un étiquetage des jets de b (voir section 5.9), s'appuient fortement sur cette information. Dans le détecteur DØ, la détection des traces est réalisée par deux sous-systèmes distincts, le détecteur de vertex ou Smt (pour Silicon Microstrip Tracker), situé le plus près du point d'interaction, et le trajectographe à bres scintillantes, ou Cft (pour Central Fiber Tracker). Ils sont tous deux situés dans la partie centrale du détecteur et sont entourés par un aimant solénoïdal comme le montre la gure2.10. La résolution nominale en impulsion transverse de l'ensemble Smt + Cft est donnée par [32]
∆pT
pT = 0,015 ⊕ 0,0014 · pT (2.7)
La couche zero
La couche zero [33] [34] a été ajoutée au printemps 2006 lors de l'arrêt de la machine en préparation du Run IIb. Une photographie prise lors de son insertion en est montrée sur la gure2.11. C'est une nouvelle couche adjointe au détecteur de vertex, dont la construction a été motivée par les arguments suivants :
(a) Luminosité intégrée (b) Luminosité instantanée maximale
Fig. 2.9 (a) Luminosité intégrée en fonction du temps. Plus de 4 fb−1 ont été fourni par le Tevatron (courbe supérieure verte) et 3,5 fb−1 ont été enregistrés (courbe inférieure bleue) au 18 mai 2008. (b) La luminosité instantanée fournie par le Tevatron ne cesse d'augmenter. Les points triangulaires bleus représentent la luminosité instantanée maximale fournie au début d'un store. Les points rouge en forme de losange moyennent les valeurs de vingt points bleus. La luminosité instantanée a toujours tendance à augmenter mais on remarque un brusque changement au printemps 2006, au démarrage du Run IIb. La luminosité instantanée maximale dépasse maintenant les 2,4 · 1032cm2 s−1.
Fig. 2.10 Vue schématique du système de trajectographie. Le SMT est situé le plus près du point d'in- teraction ; vient ensuite le CFT, puis l'aimant solénoïdal. D'autres détecteurs, comme les calorimètres, les détecteurs de pied de gerbes et le détecteur de mesure de luminosité, sont également montrés. Les tonneaux et les disques du SMT (voir texte) sont visibles sur la gure. Les lignes pointillées indiquent une pseudo-rapidité constante. La couche zero ne gure pas sur le dessin.
Fig. 2.11 Photographie de la couche zero lors de son insertion dans le détecteur DØ. 2. Nécessité d'améliorer la détection des traces pour faire face aux plus hautes luminosités instan-
tanées du Run IIb ; meilleure résolution temporelle.
3. Volonté d'améliorer la résolution sur le paramètre d'impact. Cela permet notamment des amé- liorations substantielles au niveau de l'étiquetage des jets de b (voir section5.9) [35].
La couche zero est consituée de modules comprenant chacun un capteur à micro-pistes de silicium qui sont similaires à celles du Smt. C'est un équipement à hautes performances. Il permet d'améliorer la résolution du paramètre d'impact de près de 55% pour les traces d'impulsion transverse de moins de 5 GeV, ce qui correspond à une e cacité d'étiquetage des b meilleure d'environ 15% [36]. En outre, son rapport signal sur bruit est supérieur à 16.
Le détecteur de vertex
Le détecteur de vertex permet de mesurer la position du vertex d'interaction principal et d'eectuer une mesure de la trajectoire et de l'impulsion des particules chargées qui le traversent (ceci grâce au champ magnétique dans lequel il baigne qui dé échit leur trajectoire). D'une longueur totale de 64 cm le long de l'axe du faisceau et symétrique par rapport à z = 0, c'est un assemblage de tonneaux et de disques composé d'une partie centrale (0 < |z| <∼ 60 cm), qui assure une couverture jusqu'à |ηdet| < 1,5, et d'une partie à l'avant (|z| <∼ 100 cm, |η| < 3). On peut en voir un schéma isométrique sur la gure 2.12. Ses éléments de détection sont des micro-pistes de silicium, qui totalisent 792 576 canaux.
1. La partie centrale est elle-même constituée de deux sous-parties, les tonneaux et les disques F. Les tonneaux sont au nombre de six et sont placés les uns à côté des autres autour du tube à vide (voir gure2.12). Ils contiennent chacun 72 modules répartis en quatre sous-couches dont la distance au faisceau est respectivement 2,7, 4,5, 6,6 et 9,4 cm. Les pistes de silicium présentes sur les tonneaux ont trois orientations diérentes : longitudinale, 90◦ stéréo et 2◦ stéreó par rapport à l'axe du faisceau.
Les disques F sont au nombre de douze. La partie à grand |z| de chacun des six tonneaux est recouverte par un disque F. À plus grand |z|, on trouve une unité composée de trois disques F. Chaque disque F comporte douze sections ; les pistes d'une section donnée font un angle azimutal de 30◦ avec celles d'une section adjacente. Les disques F sont situés à |z| = 12,5, 25,3, 38,2, 43,1, 48,1et 53,1 cm.
2. La partie à l'avant est constituée de deux disques de chaque côté ; appelés disques H, ils ont un diamètre plus important que les disques F, et l'angle des pistes d'une section donnée avec celles d'une section adjacente est de 15◦. Les disques H sont situés à |z| = 100,4 et 121,0 cm. Lors du passage au Run IIb, les deux disques H les plus externes ont été retirés du détecteur et leurs systèmes de lectures sont maitenant utilisés par la couche zero.
Ainsi, les tonneaux mesurent principalement les coordonnées r − φ tandis que les diques mesurent les coordonnées r − z et r − φ. Les vertices de particules à grand |η| sont donc reconstruits en trois dimensions par les disques, alors que ceux des particules à petit |η| sont plutôt mesurés par les tonneaux et le Cft, comme on peut s'en faire une idée grâce à la gure2.10. Pour des muons provenant de la désintégration d'un boson Z0, la résolution d'une trace avec coups dans le Smt est de 20 µm alors qu'elle est de 500 µm sans coups dans le Smt.
A n de minimiser les dommages liés aux radiations, le Smt est refroidi à −5◦C grâce à un mélange d'eau et de glycol dans les proportions 100-30. Le Smt a été conçu pour la prise de données jusqu'à 2 − 4 fb−1, mais l'opération de DØ continuant jusqu'en 2009 ou 2010 a n d'enregistrer 8 − 9 fb−1, ses performances ne vont cesser de se dégrader. Ainsi, sans l'adjonction de la couche zero, la perte par irradiation de la sous-couche la plus interne du Smt aurait des conséquences desastreuses sur l'étiquetage des b : perte d'e cacité de 18% et augmentation du taux de mauvaise identi cation de 12% [37].
Fig. 2.12 Vue isométrique du détecteur de vertex. On y voit le tube à vide dans lequel circulent les faisceaux, autour duquel sont arrangés les six tonneaux, les douze disques F et les quatre disques H.
Le trajectographe à bres scintillantes
Le trajectographe à bres scintillantes est conçu pour mesurer l'impulsion des particules chargées et reconstruire leur trace. Il est placé autour du Smt et est composé de huit cylindres à bres comme visible gure2.10. Il couvre un intervalle en pseudo-rapidité |η| < 2 avec une résolution de 100 µm dans le plan r −φ. Les bres scintillantes, de 835 µm de diamètre, sont connectées à des bres guides d'onde elles-mêmes reliées à une extrémité à des photo-multiplicateurs à avalanche, et à l'autre extrémité à un miroir à fort coe cient de ré exion (∼ 90% à 530 nm). Au total, le CFT utilise environ 1 000 km de bres (200 km de bres scintillantes et 800 km de guides d'onde).
Les bres scintillantes sont constituées de polystyrène dopé au paraterphenyl, une teinture uo- rescente, à 1% en poids. Une particule qui traverse une bre ionise le polystyrène ; cette excitation est transmise par interaction dipôle-dipôle au paraterphenyl, qui émet de la lumière uorescente dans une longueur d'onde courte (≈ 340 nm). Le libre parcours moyen de cette longueur d'onde étant seulement de quelques centaines de microns dans le polystyrène, on y ajoute une autre teinture uorescente, le 3-hydroxy avone. Celle-ci absorbe la lumière en provenance du paraterphenyl et la ré-émet à une longueur d'onde de 530 nm qui est bien transmise par le polystyrène. Le choix du miroir permet une perte minimale de la lumière depuis son émission jusqu'au dispositif de lecture.
Les photo-multiplicateurs qui détectent la lumière incidente sont à réponse rapide et à rendement quantique (environ 75%) et gain à basse température (optimal à 9 K) élevés. Leur seuil de détection est d'un photo-électron, soit une e cacité de lecture par bre de 98%.
L'aimant solénoïdal
Un aimant solénoïdal supraconducteur entoure le Cft et soumet le volume du trajectographe à un champ magnétique [38]. Les particules chargées qui traversent le système sont donc déviées, ce qui permet de mesurer leur charge et leur impulsion. Le solénoïde, d'un rayon de 60 cm, produit un champ d'une intensité de 2 T parallèle à l'axe du faisceau. Ce champ est uniforme à 0,5% près. L'aimant est maintenu à sa température supraconductrice par de l'hélium liquide.