Université Pierre et Marie Curie \ /
v Paris VI
THESE
. par Valerie CHOROWICZ
pour obtenir
le titre de Docteur de l'Université Paris VI (spécialité Physique des Particules)
Sujet: Conception d'un maître Fastbus pour l'acquisition de données
du détecteur externe de DELPHI. Mesure de la constante de couplage de l'interaction forte dans les désintégrations hadroniques du Z°,
soutenue le 21 Mai 1990 devant le jury compose de A/A/.
M. Baubillier (président) W. de Boer
L. Cerrito B. Grossetête R. Pain G. Sauvage
Université Pierre et Marie Curie Paris VT
THESE
prrsrnlt't jmr Valérie C I l O R O W I C Z
fiaur nlilrntr
le titre de Docteur de l'Université Paris Vl (spécialité Physique des Particules)
Sujet: Conception d'un maître Fnsfhiis pour l'acquisition de données
du détecteur externe de D E L P H I . Mesure de la constante de couplage de l'interaction forte dans les désintégrations hadroniqucs du /".
nonlr.niie. le 21 Mai 1990 dr.va.nl Ir JMIy rowpnaf HF MM.
M. Baubillier (président) W. de Boer
L. Cerrito B. Grossetête R. Pain
G. Sauvage
Us moillcurcs mit une fi».
Résumé
Los q n a t r n s détecteurs A l o p h , Delphi, 1,,1I ol Opal, opérant sur Io LEP depuis aoiîl 1!)8!) on<
d'ores ol, déjà enregistré un nombre I vos i m p o r t a n t (!'interactions e+r.~ à u n e énergie voisine de la masse du boson i n t e r m é d i a i r e Zn- La. mise en service du collisionnoiir LF,!' permet on cHol de produire les Zn à. u n t a u x record de plusieurs par m i n u t e s dans des conditions de. bniH <|o fond acceptables par les détecteurs et avec u n e fiabilité impressionnante.
CeIIe thèse a. été préparée, au sein de l'expérience Delphi. Le lrava.il que j'a.i edVcliié dans le groupe du L T' N II E- Pâtis se décompose on d e u x parties. La. première concerne !'acquisition des données du Détecteur Externe de Delphi et la seconde porte sur l'analyse des ôvénemotils hadroniques en vue d'en extra.ire la valeur de la constante de couplage des inlera.clions Tories à Dans la première partie, j'expose les c o n t r a i n t e s imposées pa.r cette nouvelle machine du point de vue de l'acquisition des données et la façon dont Delphi a. répondu à cellos-ci. Jo drcite en détail le système d'acquisition d u Détecteur Externe dont la conception, l'installation, la mise en service ol, IVxploilalion sont, sous la rosponsa.blité du L P N I F E en collabora lion avw Io groupe de physique des h a nies énergies de l ' u n i v e r s i t é de Liverpool. Je décris e n s u i t e mon travail m r l ' i m p l a n t a t i o n du microprocesseur AM29000 sur un m a î t r e Faslbus. L'A M 29OfV) est un processeur de type ÎÎISC et présente donc des a v a n t a g e s essentiels p o u r l'acquisition des dominos clans des conditions de fonctionnement difficiles. Il p e r m e t t r a de supporter les fréquences élevons impnsées par l'accroissement prochain de la l u m i n o s i t é du LIvP. Oo module appelé S I S I F U S remplacera l'actuel contrôleur dn "front end freeing" piloté par un microprocesseur plus classique, Io (!802O.
I, a seconde partie de ma thèse, porte sur l'analyse des premières données récof'éVs a ver l<>
détecteur Delphi entre Septembre et Décembre 1989. Je rue suis orientée vers l'élude des ôvc-iioinonls hadroniques afin d'en extraire l ' u n des paramètres f o n d a m e n t a u x du modèle standard, Io paranièlrn d'échelle \QI;D (l"i détermine la dépendance en énergie de la constante de couplage de? interactions fortes. Après un bref exposé théorique, je décris la méthode que j'utiliserai pour délcrwiner ce paramètre. Elle est basée sur la mesure des corrélations énergie-énergie dans les "JeIs" |ia(lronû|iios.
L'analyse des données et les résultats préliminaires sont présentés. La valeur de !(QCD ost détermi- née par l'ajustement de la prédiction théorique, sous forme de fonction analytique, à la
de l'asymétrie des corrélations énergie énergie.
Abstract
Tlio four experiments Aleph, DoIphi, 1/3 a.nd Opnl, r u n n i n g a.t LKP since August 198!), haVP already recorded a great n u m b e r of r.^e," interactions al a centre- of mass energy close In I.ho mass of (.ho i n t e r m e d i a t e vector boson Zo. The sla.rt-up of 1,1'/!' allows the production of Zn* at a. rate of severa.l per m i n u t e with an acceptable level of background noise and with good reliability.
The work contained in this thesis has been clone w i t h i n (lie I,PNHK-Paris group involved in the Delphi experiment. H covers two areas : the firsl. concerns the data, acquisition system of the Delphi O u t e r De.lector and the second t h e analysis of hadronic events in order to determine the value of t h e strong coupling constant al \fs — 91 ( i e V .
In the firsl p a r t of this thesis, I describe the constraints imposed by this new machine and (he m a n n e r in which Delphi has responded to t h e m . I describe in dela.il I.IIP. data acquisition system of the Outer Detector whose conception, i n s t a l l a t i o n , and r u n n i n g are the responsability of the 1,PNIlF. in collaboration with the high energy physics group of Liverpool University. I then describe my work on the implementation of the A M23000 microprocessor on a. Fastbus Master.
The AM29000 has a RISC-type architecture and ofl'ors advantages for data acquisition w i t h t h n high rates expected following the increase in the luminosity of 1,RP. This board, called SfSIFUS, will replace the present front end freeing controller d r i v e n by a more classical processor, the R8020.
The second part, of my thesis c o n t a i n s the analysis of the firsl. data recorded by Delphi between September and December 1389. I study the h a d r o n i c events in order to extract one of the f u n d a - mental parameters of the s t a n d a r d model, the sca.lo p a r a m e t e r AQC/, which determines the energy dependence of the strong coupling constant n,. After a short theoretical introduction, I describe t h e method used which is ba.sed on t h e measurement of energy-energy correlations in hadronic events. T he value of \Q{;D is determined from the fil. of the theoretical prediction, in Ilie form of an a n a l y t i c f u n c t i o n , to the distribution of the a s y m m e t r y of I,lit» energy-energy correlation.
Table des matières
I Conception d'un maître Fasl.biis pour l'acquisition des données du Dé- tecteur Externe de Delphi 11
1 Voir du Z avoc Delphi IS
1.1 Cuntrainl.es 13 1.1.1 Le LICP 13 1.1.2 La physique à /?„„ = M-/, 1-1 1.2 Lo détecteur Delphi 10 1.3 Lo système (!'acquisition des données de Delphi 18 1.3.1 !,es enjeux 18 1.3.2 I,a philosophie du d é c l e n c h e m e n t l!>
1.3.3 I,a philosophie de l ' a c q u i s i t i o n '"
1.3.-I l/e réalisation du d é c l e n c h e m e n t à Delphi 20 1.3.5 Déroulement de l ' a c q u i s i t i o n 2l I.3.B Lo s t a n d a r d d ' a c q u i s i t i o n : K a s l l u i s 22 I..'{.7 .Structure !''aslltus d» système d ' a c q u i s i t i o n 2iï
2 Lo. système d'acquisition tin Detectr-iir Externe 27
2 . 1 l,a led lire des lulies et la iiiim>'Tisi<l!»n 28 2.1.1 Les TK D 28
2.1.2 Les TDC Lecroy 3l 2.2 \,c contrôle et le d é c l e n c h e m e n t 33
MUON CHAMBERS
2.2.1 I/a Inclure dos lubes 3l 2.2.2 Lo premier niveau do dédcnchomonl .'H 2.2.3 Le deuxième niveau do déclenchement 36 2.3 La Inclure des données 37 2.3.1 Phase synchrone avec Io faisceau 37 2.3.2 Phase asynchrone 38 2.4 L'espionnage dos données en ligno 39 2.5 Le format des données 3.9 2.5.1 L'en-tête de révénnmeiil 39 2.5.2 1-brmat d'un sous-bloc de l'OI) 3!) 2.5.3 Bloc, dos données de déclenchement -10 2.5.-J Blocs dos données TFO -IO 2.5.5 Blocs des données TI)C I l 2.6 Les performances •!!
2.6.1 L'acquisition des données •!!
2.6.2 Les traces vues par Io Détecteur l-lxtorno - I l 2.6.3 La. précision des mesures I l 2.7 Conclusion -15 3 Vers une amélioration des performances du système d'acquisition du Détecteur
Externe : SISIFUS 46 3.1 Pourquoi Ic 29000 ? Ifi 3.1.1 L'architecture HlSC 16 3.1.2 Le microprocesseur AM29000 18 3.2 Fonctionnalité et a r c h i t e c t u r e du m o d u l e 50 3.2.) Les purls Faslbus r>0 3.2.2 L ' u n i t é do traif.omo.nl 5l 3.2.3 Les sé(|uenc(Mirs 52
3.2.1 l,o Block Mover 52 3.3 Aspects logiciels 53 3.3,1 Optimisation du code 53
.1I..1.2 OuWs logiciels T.3
3.3.3 I'rogramrno. do cliargcmonl dos lislcs 53 3.3.4 Utililaires implantés sur Io processeur Ilote 53 3.'I Réalisation e( performances du premier prototype 51 3.4.1 Realisation 5l 3.4.2 Syslèmo de lest 54 3/1.3 Tost do la, carte mc.ro 54 3.4.1 Tost do la carte fille 55 3.4.5 .!onction dos deux cartes 58 3.5 SIStFUS da.ns l'acquisition des données du Délocto.ur F/xlerno. OO 3.5.1 SISIFUS oxccii la ni Io mémo logiciel que le FIT fiO 3.5.2 SISlFUS exécutant un logiciol spécifique fil 3.fi Conclusion fi3
II Mesure de la constante de couplage de l'interaction forte dans les désin- tégrations hadroniques du #". 65
4 L'interaction forte dans les nnnilnlnlions r"1 e" 67
4 . 1 Cadre l,liéorif|iio 07
• I . I . I I/a constante découplage a, ol le paramètre. A fi8 1.1.2 Discussion du choix de lY'flirllf ft fi!)
1.1.3 QCf) f l a n s les inlenu lions e *r~ 7l
•1.2 l l a d r o n i s a l i o n 73 1.2.1 1/a F r a g m e n t a I i o n i m l r p o m l a u l e 7.'|
4.2.2 Le modèle des cordes 73
•1.3 Los généra.teurs r'fr, —»1/17 7-1 4.3.1 Cascade de parlons 75 4.3.2 lOlémo.nts (Io matrice 76
•(.•I Les m PS nros (ic n, 7fi AA.\ Los mcsnros (Io «, on e+r~ 76 4.-t.2 Los an 1res mesures do n, 83 4.5 La. fonction do corrélation énergie.énergio et son asymétrie 83 4.5.1 Définition 85 4.5.2 Théorie «les perturbations 86 4.5.3 Optimisation de l'échelle do ronormalisalion 88 4.5.4 Influence do la. f r a g m e n t a t i o n 89 4.5.5 Influence de la résolution expérimentale .90 4.5.6 Influence de la masse des q u a r k s 91 5 Détermination de AJJJ^ par la mesure des corrélations énergie-énergie 93
5.1 Analyse dos événements hadroniqnes .93 5.1.1 Sélection des événements liadroniqiies 93 5.1.2 Distributions corrigées 98 5.1.3 Les distributions des corrélations énergie-énergie 102 5.2 D é t e r m i n a t i o n de Aj^ 102 5.2.1 Par la mesure de l'intégrale de l ' a s y m é t r i e infi 5.2.2 Par ajustement, de la fonction t h é o r i q u e 107 5.3 Estimation des i n c e r t i t u d e s systématiques 10!) 5.1 Résultat, 111 5.5 Discussion 112 5.5.1 I n f l u e n c e de l'échelle de r o m > r i n a l i « a t i » n 112 5.5.2 Comparaison avec les r é s u l l n l s a n l é r i c u i s 112
Liste des Figures
1.1 VMC* transversale et. longitudinale <hi détecteur Delphi 17 1.2 Echange des informations entre Im différentes parties du déclc.nchem.cnt 21 1.3 Schématique Fautbim al exemple de. système simple basé sur trois segments 25 l.-l Structure du système d'acqiiiailiondc Delphi 2fi 2.1 Disposition de.s planches fie tube* dans Ir. Détecteur Externe 27 2.2 Arr.lnler.tnre du système d'acquisition du Détecteur Externe 2P 2.11 Déroulement de 1'ar.quisilinn du Détecteur Externe 30 2.-I Multiplexage des voies de le.cl.ure. des TDC 32 2.5 Distribution de.s temps de. dérive ayant contribué à une trace reconstruite 33 2.(J Numérotation de.s octants 35 2.7 Définition de.s cellules et rfr.i colonnes dans une. planche. 3fi 2.8 Définition des alignements dans unr. cellule. 36 2.!) Mesure de. l'évolution lempnnlle d'une, séquence Tt-NO -13 2.10 Mesure de. l'évolution temporelle d'une séquence TZ-YKS 43 2.11 Résolution en z du Détecteur Kxtcnii -M 2.12 Résidus obtenus après re.conslruction des Irnrrs -15 3.1 Performances comparées de divcix processeurs 48 3.2 l'rinr.ipe defonc.tionnemc.nl du pipeline, d'instructions 'Ifl 3.3 Architecture, globale de SISl 1''US 50 3/1 Architecture, de l'unité de traitcmtnt 51
fi
TS
3.5 Architecture. d'un séqnrnre.ur 52 3.6 Temps d'exécution du llloc.k Monrr 55 3.7 Temps d'éxecution par IP séqnenee.ur châssis 56 3.8 Organigramme tin programme de. Irai 57 3.9 Simulation du détecteur utilisée pour lex lests 58 3.10 Déroulement du programme, de. test 59 3.11 Le système d'acquisition ave.c SISIl'US et ///•'« 02 4.1 Corre.clions de. boucles au propagateur du gluon 08 4.2 Dépendance en énergie de. la constante, de. couplage, des interactions fortes 09 4.3 Détermination de A en fonction du facteur d'échelle. 70
4.4 Exemples de diagrammes de la reaction r.+e.~ — » 7 7 72
4.5 Multiplicité de.s je.ls e.n fonction du paramètre de coupure, y 72 4.6 Principe de la fragmentation indépendante 74 4.7 Principe de la fragmentation ,ic,lon le. modèle de.s cordes 74
4.8 Modélisation de. la réaction n"f e.~ —» hadi-ons 75
4.9 Réaction c*e.~ —» partons selon le modèle, de.s cascades de. partons 75 4.10 Valeurs de II. en fonction de. l'énergie, dans le centre de. masse. 77 4.11 Taux de.s événements à ,"} jets e.n fonction de l'énergie dans le centre de masse. . . . . 79 4.12 Limites sur n, en fonction de. .1 pour différentes observables 80 4.13 Diagrammes île désintégrations de Y 81 4.14 Diagrammes de. désintégration du T 82 4.15 Valeurs de. n, e.n fonction de l'énergie 82 4.16 La distribution CKK(x) (JKTSKT (>..! l'!i) 85 4.17 Valeurs de. A obtenues à partir de l'intégrale de ,IT/v/v 80 4.18 Importance comparée, des termes théoriques fur CUT, 87 4.1!) Variation de. CKK et ACKI1', pour différentes valeurs de A 87
7
4.'2O Influence dr. l'échelle lie. rennrmalisalion /f sur Cf1K rl ACKK 88 1.21 Contribution de Ia fragmentation à (JKH et ACKK 89
•1.22 Variation de CKK rl ACKK rn fonction (Ir Ia fragmentation 90 4.23 Variation tie CKK c.l ACKK m fonction de In resolution expérimentale 91 4.2-1 Variation de CKE el A CKK an function (Ie In matte, des quarks 92 5.1 Exemple (l'événement à 2 jets reconstruit par Delphi 94 5.2 Exemple d'événement à ,? jets reconstruit par Delphi 95 5.3 Distributions en angle, impulsion et paramètres d'impact avant coupures 9fi 5.4 Distributions avant coupures 97 5.5 Distributions après coupures standard 99 5.6 Distributions après toutes coupures 100 5.7 Variables de forme, après toutes coupures .101 5.8 Fonctions de. correction 101 5.9 Comparaison de CKK et ACKK entre les données et le. Monte Carlo 103 5.10 Comparaison entre les données et le Monte. Carlo JKTSKT 7.2 MK 104 5.11 Détermination de A par la mesure de l'intégrale de. ACKK 100 5.12 Ajustement de la prédiction théorique sur ACKK 108 5.13 ACKK pour une répartition des données en !) échantillons J l O 5.14 Valeurs de n, obtenues rn variant l'intervalle de l'ajustement 111 5.15 Dépendance de la détermination dr A dans l'échelle de renormalislion /i. 112 5.IG Comparaison des valeurs de. A 114
Liste des tableaux
1.1 Partitions fin système d'acquisition 20 1.2 Signaux de, contrôle, l'as thus 21 2.1 Formai d'un fvciifmr.nl dans Ic 1''1''Jf 42 3.1 Comparaison des temps morts dans les cycles l'astbns 61 3.2 Comparaison des performances dti /•'//' e.l de filfill-'l'S 61 4.1 Valeurs de a,(3'\C!e.V) obtenues par rajustement de. A 78 4.2 Valeurs de A déterminé.es par l'ajustement dm fonctions Di 79 4.3 Détermination de n, dans les désintégrations de. T ( I S ) et T(3.Ç) 81 4.4 Valeurs de n-, obte.nue.s dans les interactions pp 83 4.5 Valeurs de. A dans les expériences de diffusion profondément inélasti/jue 84 4.6 Influence des divers paramètres sur ('/•/'/'/' et ACl',!'', 92 5.1 Nombre. d'événements avant et après coupures 98
!S.2 Valeurs de. CUI'! e.l ACKK (rn<r*) 105 5.3 Résumé des résultats 111
Introduction
Los q u a t r e détecteurs Alopli, Delphi, L.'l et OPR], opérant s u r Io LPP depuis août 1989 ont il'ores et déjà enregistré un nombre très i m p o r t a n t (!'interactions n + e~ à une énergie voisine de la masse du boson i n t e r m é d i a i r e Z®. I,a mise en service d u collisioiineur LKP permet on otTel de p r o d u i r e les Z° à un t a u x record de plusieurs par m i n u t e d a n s des conditions do b r u i t do fond acceptables par les détecteurs et avec u n e fiabilité i m p r e s s i o n n a n t e .
Cotte thèse a été préparée au sein de l'expérience D E I y P l I I . Lo travail que j'ai c fier lue d a n s le groupe d u L P N l I K- Paris se décompose en d e u x parties. La première concorno l'acquisition des données du Détecteur P/xterne et la seconde porte sur l'analyse des événements hadroniqucs on vue dVn extraire la valeur de la c o n s t a n t e de couplage des interactions fortes à ,/s = 91(7eV et le paramètre hqcn
Le chapitre I expose les c o n t r a i n t e s imposées par cette nouvelle machine du point de vue de l'acquisition dos données et. la façon dont Delphi a répondu à celles-ci. Dans le chapitre 2, je décris en détail le système d'acquisition du Détecteur Externe dont la. conception, l'installation, la mise en service et l'exploitation sont sous la responsablité du LPNIH:'/ en collaboration avec le groupe de physique des hautes énergies de l'université de Liverpool.
Je décris dans le chapitre 3 mon travail sur l'implantation du microprocesseur AM29000 sur un maître Faslbus. L'AM29000 est u n processeur de type RISC et présenlo donc des avantages essentiels pour l'acquisition des données d a n s des conditions de fonctionnement difficiles. II perme- ttra de supporter les fréquences élevées imposées pa.r l'accroissement prochain de Ia luminosité du LEP. Ce module appelé SISIPUS remplacera l'actuel contrôleur du "front end freeing" piloté par un microprocesseur plus classique, le fi8020.
La. seconde parlie de ma thèse porte sur l'analyse des premières donné.es récoltées avec le détecteur DELPHI entre Septembre et Décembre 1989. .Ie rno suis orientée vers l'étude dos événements hadroniquos afin d'en e x t r a i r e Pun des paramètres f o n d a m e n t a u x du modèle stan- dard, la. constante de couplage de l ' i n t e r a c t i o n forte «,. Après un bref exposé théorique, je décrs dans Ie chapitre 4 la. méthode que j'utiliserai pour déterminer ce paramètre. IClIe est basée sur la mesure des corrélations énergie-énergie d a n s les "jets" hadroniques.
L'analyse des données et les résultats préliminaires sont présentés dans le cha.pilre S. CeUe élude porte plus précisément sur l'ajustement de la prédiction théorique à la distribution de Pasymélrie des corrélations énergie-énergie pour d é t e r m i n e r la constante do couplage de l'interaction forte.
IO
E3
Partie I
Conception d'un maître Fastbus pour l'acquisition des données du
Détecteur Externe de Delphi
NF N NF
Chapitre 1
Voir du Z avec Delphi
La physique e+e~ a. connu do grands succès avec les collisionncurs IMvTRA à I)KSY (Hambourg), PRP à SLAC (Standford) cl TRISTAN à K I O K ( J a p o n ) pour dos énergies dans Io centre de masse allant de 29 à GOGeV. La découverte des courants neutres en 1973 confirmée dès 1983 a» C K R N par la production, d a n s les collisionneurs /)/"), de bosons intermédiaires /î° nous conduit à étudier on détail les propriétés de cette particule et, à travers elles, In validité du "modèle standard". Le Z peut être produit en grande q u a n t i t é dans les interactions r.*r~ si l'énergie dans le contre do masse est proche de sa masse My1. Deux machines do conception radicalement différentes permettent l'étude do ces réactions (e+f.~ —» Z —» A') : le collisionneur linéaire SLC à SLAC on service depuis Mars J989 a. déjà produit dos résultats intéressants tel que la valeur do la. masse du Z° : MZ — 91.GrV.
C'est ce qui a permis à. l'anneau de collision L K I ' an CKIlN de démarrer directement avec une énergie dans le centre de masse centrée sur v/.t — My1. Les premiers Z du LKP ont été observés a u x 4 points d'interaction des faisceaux d'électrons et tie positrons d u r a n t Io "run pilote" on Août 1989.
Depuis, l'observation de plus de K)O(K)O Z par les q u a t r e détecteurs disposés le long de l'anneau permet l'étude approfondie des théories electrofaiblo et forte.
Ce chapitre est composé de trois parties. Les contraintes imposées tant par la machine que pa.r l'énergie de Irf réaction sont passées en revue d a n s Io premier paragraphe tandis que les paragraphes 2 et 3 décrivent les'solutions mises en oc-uvre par Delphi. L'accent est mis sur l'aspect acquisition dos données.
1.1 Contraintes 1.1.1 Le LEP
Ln LKP (Largo Klec.lron Positron collider) est un a n n e a u de collision de 27 Vm de circonférence qui sétend à 100 m sons terre en moyenne, à cheval sur la frontière franco-suisse et dont la cons- truction a nécessité six a.ns. Quatre paquets d'électrons et de positrons de quelques centimètres do long circulent on sens inverso dans un vide poussé (8 |0~12 Torr). Ils inloragissont on quatre z.ones expérimentales avec une fréquence de 115 k l l * correspondant à un croisement (ouïes les 22 microsecondes dans chaque zone expérimentale.
Los pa fa mol res p r i n c i p a u x do Ia m a c h i n e soul l'énergie dans In centre dp masse et la luminosité.
Le produit do relie dernière par la section efficace do la réaction considérée fixe le ( a u x d'événpnients produits, L'énergie dans le centre de mass»», \/S, valant ici deux fois l'énergie de c.liaquc faisceau, fixe le type d'interaction d o m i n a n t , puisque les sef.lions efficaces PII dépendent.
La luminosité pent être exprimée sous la forme :
où N est le noml>re de particules par paqiiol, k Io nombre de paquets, / Ja fréquence de collision et (Tx et (Ty sont les tailles des paquets d a n s le plan transverse. La luminosité nominale du LBP aux points d'interaction' est d'environ IOS ICIM"'S~' ; a c t u e l l e m e n t , elle atteint déjà 0.3 I0™sifiro"?.i~l. Considérons la réaction c+c~ — » 7 -> .Y qui a élé étudiée à. 1'1'!TIlA, P R I ' et TRISTAN et qui esl souvent utilisée à. LICP pour comparaison Sa sec lion efficace proportionnelle à l/.s vaut, quand y/ï— J|/£( (T- \0pb ce qui donne, compte tenu de la luminosité actuelle, un taux de production de 0.1 par heure. Par contre, la. section efficace de la réaction c+e~ — + Z — » A" présente u n pic résonant pour \/â = KIy1, énergie à laquelle, elle est de l'ordre de '1OnA. Ainsi la. production des Z esl de 400 par heure.
La conjonction cuire u n e h a u t e l u m i r o s i t é et une énergie proche de la. masse du 7, permet d'obtenir des t a u x d'interaction élevés. Voyons m a i n t e n a n t snccinlemenl quelle physique cette machine permet d'étudier.
1.1.2 La physique à Kfm — /I//
Les réactions qui ont lieu lors de la rencontre des, paquets d'électrons et de positrons dans les /ones expérimentales, prod" ,eut un état, f i n a l , appelé événement.
Le phénomène physique qui nous inIerosse dans la phase I du I/KP2 est l'annihilation d'une paire i?+r~ en un boson %° q u i sera caractérisé par les produits de sa désintégration. Comme il a.
déjà élé précisé an début, de ce c h a p i t r e , l ' a n n i h i l a t i o n via un photon représente seulement 0.3%
des événements au pic. On dénombre plusieurs c a n a u x dont les principaux sont la désintégration en un q u a r k el a n t i q u a r k ou en u n e paire Icpinn-niitileplon émis dos à dos et emportant chacun une énergie égale à \fs/1.
• Le canal Z —> »717, pour lequel r h n q i i r q u a r k d o n n e naissance à plusieurs hadrons, produit un é t a t final à h a u t e m u l t i p l i c i t é (2l p a r t i c u l e s chargées eu moyenne). 11 est emprunté dans 70%
des cas et la présence de nombreuses p a r t i c u l e s le rend facile à. délecter.
• La. production de pnirrs t*r~ et /< ' / » esl caractérisée par u n e multiplicité chargée égale à 2 puisque les électrons et les iinnnis siHII stables. A l'inverse, les T ont u n lemps do vie assez court correspondant à une d i s t a n c e île vol moyenne de 2inm. Les états finals correspondants possèdent une faible m n l l i p l i c i l é chargée. La multiplicité des particules dans l'état final permet de distinguer les d é s i n t é g r a t i o n s liadrouiqiies et leptoniques du Z.
11.a largriir des pnqiirfc rsl miiiim.il'1 ru re* pi inls
tiliiî ilciixiriiip phase rst |irrviir, pntir l.ifpii'llr I't'iirf^ir flïiiin Io crntro (Ir mRftftfî dovraît ôlrr porlrc n 200
I I
l/Vtiide do ces c a n a u x permettra d'effectuer dos losls précis du modèle s t a n d a r d .S"(/(:i)x,S"t/(2)x f / ( l ) ot do déterminer dos paramètres libres do Ia t.heoiio : les c o n s t a n t e s do couplage, IPS maKSPS P) IPS angles dp melange. I/o 1,10!' porino). également do d e t e r m i n e r Io nombre do fainillos do formions, sonvo.nl exprimé sons In. forme N,,, nombre do n e u t r i n o s , ol. d'étudier la physique du q u a r k 6 d n point do VHP dos oscillations dos mesons /Jj1 p| />']]. |,;i nolalion do Cl' d a n s Io système H" lin iuVossito lino statistique trop grande pour êlro é t u d i é e ;iu 1,1',I*.
• Quelques prédictions imporlaiilos du modèle s l a n d a r < l telles quo Io q u a r k "top'' I, dornior membre do la famille, ot IP I)OSDII do lliggs //, i n g r é d i e n t théorique permettant de donner u n e masse aux bosons intermédiaires /(1, H''* ol H ' ~ , n'ont pas encore été observés. Néanmoins, le LEP permet d'améliorer les limites c o n c e r n a n t lour masse.
• On peut également rechercher divers phénomènes exotiques prévus j>ar des modèles différents du modèle s t a n d a r d , par exemple dos particules suporsymétriques.
En parallèle avec la production de bosons '//, »nt lion dos réactions parasites dont on veut SP débarrasser. !'/Iles peuvent être classées ou !,rois catégories possédant dos signes dislinclifs qui permettent, do les identifier ol, de les éliminer.
• Premio.ro source de bruit do fond, l'un perfect ion du vide d a n s la chambre où circule Io faisceau induit dos interactions entre les électrons (ou les positrons) ot les molécules du gaz résiduel.
Pour cette réaction, Ic laboratoire n'est pas le référcnlicl du centre de masse et les produits sont entraînés dans la direction de l'électron (ou d u positron); ils n'ont, de plus, aucune raison de provenir do la région de collision des faisceaux. S'ils sont aisés à détr.'tor après coup, ils chargent "le système d'acquisition au d é t r i m e n t des collisions r4e ~ .
• II faut compter ensuite avec les muons cosmiques qui peuvent simuler des désintégrations leptoniqtios du Z. I/eiir distribution spatiale est u n i f o r m e et pou d'entre eux traversent Ie détecteur en u n e région proche du point, d ' i n t e r a c t i o n . D'autre part, ils peuvent être identifiés par la différence non nulle de leurs temps de passage de part ot d ' a u t r e du détecteur.
• lia dernière contribution à ce bruit de fond est apportée par les électrons et les positrons
"ofT-momcntum" qui, du fait de leur énergio différente de celle du faisceau, s'échappent et provoquent des réactions dans le détecteur. S'ajoute à cela le rayonnement synchrotron émis par les électrons et les positrons du faisceau II est considérablement réduit dans les régions d'interaction qui sont implantées d a n s les sections droites de l'annea.u. De plus, des masques situés de part ot d'autre, des détecteurs a r r ê t e n t les photons ainsi produits.
Par ailleurs, il est, nécessaire de c o n n a î t r e avec précision la luminosité an point d'interaction afin de pouvoir calculer les sections efficaces à p a r t i r du nombre d'événements enregitrés. On Ia détermine par la mesure du nombre de din"iisions Bhablia dont la section efficace est très piquée vers l'avant.
Pour résumer, plusieurs problèmes sont posés a u x expérimenlalistcs. Il faut, d'une part, prendre des "photographies" do, bonne qualité des événements do façon à pouvoir les identifier ri d'autre part, trouver un moyen de rejeter ceux qui const il lient le bruit de fond. Enfin, la luminosité doit être déterminée avec une bonne précision.
1.2 Le détecteur Delphi
Le rôle <l«vs détecteurs rs( (In prendre IMK' photographie des événements ce qui permettra do reconstituer l'étal final de la read ion qui a en lieu.
Situé à lOOin sons terre, Delphi11 a poiii I)IIt ridcnlifieation dos particules. Le détecteur possède un diamètre et une l o n g u e u r d'environ IOui el pose '25OO tonnes. Il se compose d ' u n e partie cylindrique e n t o u r a n t la chambre H vide nu circule le faisceau et de deux bouchons f e r m a n t les parties a v a n t et arrière co q u i liii permet :)e c o u v r i r la majeure p a r t i e de l'angle solide a u t o u r de la région d'inte"'-lion. La figure. 1.1 m o n t r e les coupes transversale et l o n g i t u d i n a l e de Delphi. Le détecteur Delphi a déjà été décrit dans p l u s i e u r s ouvrages et publications [1,2] aussi, ce paragraphe contient-il seulement u n e description s o m m a i r e des divers éléments du détecteur.
La partie centrale est composée de plusieurs couches de détecteurs de particules chargées. Placé sur la chambre à vide, le détecteur de vertex est constitué de deux couches de microbandes de silicium. Il d o n n e la position selon la coordonnée r<j> avec une résolution intrinsèque de 5 (tin. Situé a u t o u r du microvertex, le Détecteur I n t e r n e ( I D1) est une chambre à dérive c o u v r a n t la partie cylindrique comprise entre r = 12 cm et r — 22 cru. Une première partie produisant 24 coordonnées T(JI est entourée de cinq couches m e s u r a n t les trois coordonnées. Vient ensuite la TPCr' qui est le détecteur de traces principal de Delphi. KIIe couvre la. région comprise entre O = 22" et O — 158"
jusqu'à 122 cm du Fa.isceau et oiïre Ifi points d'espace par trace à 90". Le Détecteur Externe (OD") est décrit en d é t a i l d a n s le chapitre 2. Ses cinq couches de tubes à dérive complètent la mesure de l'impulsion en d o n n a n t les coordonnées des traces à deux mètres du faisceau.
Entre la TPC et 1'OD1 le R I C I I7 qui c o n s t i t u e la grande originalité de Delphi, permet l'iden- tification des particules. Seule une m o i t i é de la partie cylindrique est installée et elle commence, à prendre des données.
Un a i m a n t s u p r a c o n d u c t e u r , le p l u s grand j a m a i s bâ.ti, délivre un champ magnétique de 1.2 Tesla et permet à. l'ensemble ID-TPC-Ol) de mesurer l'impulsion des particules chargées avec u n e précision de fip/p2 = 0.002GVl"1.
La MPC" mesure l'énergie é l e c t r o m a g n é t i q u e avec u n e g r a n d e g r a n u l a r i t é pour les angles compris entre -10" et. M(I". Sa résolution est de 20%/v/•-'. Le calorimètre hadroniqiie ( I K - A L9) est situé à l'extérieur de l ' a i m a n t .
U n ensemble de 172 .srinlillalriirs (TOI''1 0), situés entre l ' a i m a n t et Ie calorimètre hadronique, est prévu p o u r rejeter les muons cosmiques. Pour l'instant, il est utilisé pour le déclenchement.
La couche la plus e x t e r n e de Delphi est u n détecteur sensible aux particules au m i n i m u m d'ionisation q u i assure l ' i d e n t i f i c a t i o n des m u o n s , seules particules capables de traverser les couches internes sans interagir.
Jl>F.trrtcir w i t h Lrptnn, Photon ami ![n<lr..li Mciilifiralioii
4 Innrr Dclcrlnr
5TiIiIn l'rojorling C'tinnilirr
K On ter |)i>tprt»r 'l'iiiR Imaging (!hnrrnknv
"tligh Donsily Projection rimmlirr ' lladrnn OALoriiiiotcr
'"'Jïmr Of Flight
MUON CHAMBERS
VERTEX DETECTOR
INNER DETECTOR OUTER DETECTOR
MUON CHAMBERS
VERTEX DETECTOR FORWARD CHAMBERS
Figure I.I: Vues trammcmalf. ct lonfiiltiilinttlc du dt'trctcnr Delphi
17
La niômo s t r u c t u r e osl utilisée d a n s los p a l l i e s a v a n t ol arrière: : Ins chambres A ol F) (I1XIA, K(IB") situées (Io pari ni d ' a n t r e d u I1 -I f I (1I l " c o m p l è t e n t In TIHI ol IX)U. On retrouve également Io oalorimèlro é l e c t r o m a g n é t i q u e (1''KMC''1) à I)SISP dp vorro a n plomb, Io calorimètre h a d r o n i q u o , IP s o i n t i l l a l o u r ( I K ) I ' '1) ol los r h a n i b i p s à m u o n s ( M l I K ) .
lyp r n o n i l o n r do liiminosilé (SA I l r >) osl placé a u t o u r du Inbo à vide ol couvre los anglos compris outre -13 ol I2.ri i n r a d . Dans col I P noce pi. a née, ol à. Js — /1/x, Io t a u x d'événements Hhabhas osl, faible, a p p r o x i m a t i v e m e n t égal à celui dos 7,. A f i n d ' a u g m e n t e r ce t a u x , la niosuro do la luminosité sora CD m pi et PP d a n s un a v o n i r proche p u r Io VSA'I "", détecteur au silicium composé do d o u x parl.ios placées do pari ol. il'aiilio do la c h a m b r e à vid<> à B m du point il"nilorar.t,ion.
1.3 Le système d'acquisition dos données de Delphi
Alors quo los dôtoctotirs p r o n n o n t u n o p l t o l o g r a p h i o do. l'ôvônornonl, t a n t du point de vuo do sa gôomôtrio (|iio <lo l'ônorgio q u ' i l omiiorl., IP rôlo du systôrno d'acquisition est de numériser les i n C o r m a l i o n s a n a l o g i q u o s fournios par !os d i f i o r o n l o s parties du dôtoctonr, d'éliminer rapidemonl los événoinents imn intéressants, do regrouper los i n f o r m a t i o n s récoltons par los différents détortoiirs et do los stocker sur un s u p p o r t non v o l a t i l e à p a r t i r duquel ils seront reconstruits et analysés.
Lo système d'acquisition so compose co do.ux parties : le déclenchement gère la rejection dos évéïiemenl.s parasites el l'acquisition p r o p r e m e n t dite contrôle la lecture dos i n f o r m a t i o n s fournies par los sous-détecteurs.
1.3.1 Les enjeux
S u r la. fréquence i n i t i a l e de croisement des f a i s c e a u x de 15 K I I / , seulement 0.1 11/ correspond à la désintégration d ' u n //". Il f a u t t r o u v e r u n compromis entre l'efficacité de détection dos événements intéressants et Io volume des i n f o r m a t i o n1; conservées.
L'efTie.aeilé do détection dos évéïiemenl.s u l i l o s doit, être aussi proche que possible do 100% do fa.çon à bénéficier do la plus g r a n d e s t a t i s t i q u e p o u r réduire l'erreur sur les mesures, on particulier d a n s l ' a n a l y s e des ofl'ols rares et à m i n i r n f c o r les effets do "biais" systématiques sur l'écliantillon enregistré.
La raison pour l a q u e l l e il f a u t m i n i m i s e r le v o l u m e dos i n f o r m a t i o n s conservées est la quantité de cassettes1 7 utilisées. A c t u e l l o m o n l , on écrit K)(IO événements sur une cassetle donl 5% sont des 7i. Avec bientôt un million do 7,, Kin form n i ion n l i l o sora r é p a r t i e sur 5000 cassettes de donnéos à t r a i t e r .
l C h a m b r r A (M) I : l'nnvnrd lilf.'ll
'5 l'nrwiird F.lrrlromngnrtir Caliiiiinclrr ''llnri/iintal tirnc Of rTig
|r;Sinall Angln 'l'ng '"Very Small AHR(P Tagfjcr
1 Dans Oclplii, In s n p p n r t linal est roii^lihn': dr raWlli"; UtM T3820 do IfiO Mor.tnts.
18
1.3.2 La philosophie du déclrnchoniont.
KHo est. t)asôn sur doux critères : Io déclenchement doit ôl.ro assez lâche pcinr conserver los événements exotiques et. il doit comporter clos redondances pour la. rnosiito do son efficacité.
Lo déclenchement os( u n e combinaison do OU, coïncidences ol majorité entre divers ingredients.
Jo n'ontrorai pas dans Io détail do cos sous -ensembles.
l'onr Ia. partie cylindrique, los détecteurs utilisés sont I I ) , Oi)'8, 11 I'd et TOF. Le déclenche- ment sur los traces requiert une impulsion t r a n s v e r s e au faisceau supérieure à. 1.5 CeV el le seuil en énergie est pla.eé à 2 CoV.
l'our les parties a v a n t et arrière, les (!électeurs sonl : 1''KMC1 U O K , KCA et, FCR. Le seuil en énergie est placé à 2 CeV ou !> CoV selon l ' a r r a n g e m e n t utilisé, !,'acquisition est déclenchée si au moins doux réponses parmi cinq ingrédients sonl positives.
Pour les Hhabhas, c'est le SAT qui d o n n e Io déclenclieinenl.
1.3.3 La philosophie de l'acquisition
Le but a été de construire un système efficace et simple, de coût m i n i m u m , modulaire et flexible, pouvant être Mtilisé par l'ensemble des sous-détecteurs.
Le système global se décompose en sons-ensembles de structure semblable arrangés selon une.
géométrie arborescente qui permet, de regrouper progressivement les données. Un tel sous-ensemble est appelé partition et peut correspondre à un soiis-déleclenr ou une j>arlic de sous-détecteur ou encore peut, en regrouper plusieurs. La TI'C el la II Cf,' forment chacune deux partitions alors que (.ouïes les chambres a v a n t sont, groupées d a n s u n e môme partition (les chambres à muons aussi). Le système do déclenchement forme lui aussi u n e p a r t i t i o n (TP'") et le VSAT. prochainement installé, composera bientôt la dix septième p a r t i t i o n . Le t a b l e a u 1.1 résume la composition des 17 partitions de Delphi.
Compte tenu des similitudes de morphologie dos sons-ensembles, des logiciels de trame identique peuvent être utilisés. Seuls les sous-programmes qui dépendent dos paramètres spécifiques du sous- détecteur sonl différents.
Plusieurs n i v e a u x de déclenchement sont nécessaiies pour passer de la fréquence d'événement, initiale de -15 k l l z à. u n e fréquence d'environ 2 H J acceptable pour récriture sur le support final. A chaque niveau est associée mie mérnoiro q u i joue le rôle do t a m p o n onlro deux phases consécutives de l'acquisition. Ces mémoires doivent ê t r e organisera de m a n i è r e à réduire le nombre de croisements dos faisceaux pour lesquels le déleclenr est aveugle à l'activité qui s'y déroule. A chaque niveau, le responsable du transfert copie les données conlonues d a n s plusieurs mémoires "sources" dans une mémoire! "destination".
"!««•a réponses tir dcrlrnrlirtnonl île I'll) rt «le l'OP sont ilrtnillrrv nu rliapilrr 2 §2.2.2
"TI' : TriRgor l'artitii.n
Partition I 2 3
•1
r>
«
7 8
n
Détecteur microvortox
II) TPCO T P C l H I M C I I
01) Il PCO I F P C I TOP
Partition IO 11 12 II) H 15 I G 17
l)(Uec leur H C A l , M U B , MU T
!•nidi
T K M C KCA, KCB
SAT TP VSAT
Tableau I . I : I'arlHionn ihi ayslè.me d'acquisition 1.3.4 Le réalisation du dcclenclienienl h Delphi
LP déclenchement do Delphi est basé sur q u a t r e n i v e a u x successifs de rejection. Les deux premiers, efTectués en logique câblée, soûl synchrones avec le croisement des faisceaux (BCO2"). Le troisième n i v e a u , en logique p r o g r a m M I P P , a lieu d u r a n t la. !pelure de l'événement. Le quatrième, est appliqué sur l'événement complet par q u a t r e é m u l a t e u r s
Le premier filtre, Tl, est conçu pour être un pré-déclencliemont en ce sens qu'il est devrait être utilisé pour désamorcer la TPC d a n s le cas d ' u n "non" ( T l - N O ) et qu'il n ' i n d u i t pas la lerlure de l'événement d a n s le cas d ' u n "oui" (Tl-YI1IS). La. décision doit être prise en moins de 3 /;.«.
A c t u e l l e m e n t , c'est, le seul n i v e a u o p é r a t i o n n e l ; les a n t r e s produisent un oui a u t o m a t i c ] n e et seront inslallés progressivement. Ce p r e m i e r n i v e a u est donc pour l ' i n s t a n t le déclenchement de Delphi.
Le d e u x i è m e n i v e a u , basé sur la TPC est en cours d ' i n s t a l l a t i o n . La décision devra être prise en moins de 3!)//* de m a n i è r e à ne p e r d r e q u ' u n seul croisement d a n s le cas d ' u n e réponse négative.
V r a i s e m b l a b l e m e n t , le troisième ne sera pas nécessaire pour la première phase du LKP, la machine étant b e a u c o u p p l u s propre que p r é v u a v a n t sa mise en r o u l e . Le q u a t r i è m e niveau pourra.it être opérationnel r a p i d e m e n t avec, d a n s un p r e m i e r temps, n u a l g o r i t h m e simple de rejection des événements vides qui r e p r é s e n t e n t e n v i r o n la m o i t i é de ceux acceptés par Io premier niveau.
Aux premier et d e u x i è m e n i v e a u , le d é c l e n c h e m e n t est géré par ties modules spécifiques, intégrés d a n s le système d'acquisition. Les décisions locales relatives aux traces ou à l'énergie déposée sont prises par les superviseurs l o c a u x du d é c l e n c h e m e n t (LTS2'). Kilos sont ensuite transmises au super- viseur "entrai (TS72) qui recherche les c n r r é l a l i o n s e n t r e les dilTerent.es parties du détecteur. Chaque superviseur du déclenchement est composé de d e u x parties. Une p a r t i e "contrôle" (LTS/CB23 ap priée P A N l ) O I l A , TS/CB appelé 7 K I1S ) gère le cadencoment des opérations et une partie "décision"
(LTS/DB21, TS/DB appelé P Y T I I I A ) elFcctue le t r a i t e m e n t proprement d i t .
Le principe est i d e n t i q u e pour Tl et T2. Les LTS/DB t r a n s m e t t e n t , par l'intermédiaire de
20BCO : lîp.-im Cross Over
21KI-S : !,oral Trigpjrr Supervisor
"TS : Trigger Supervisiir
"CM : Control Bnx
"T)U : Decision Box
20
DB -«• _ Oî
LTS LTS
Figure 1.2: !',change des information* rnttf Ir* iliffi'.rrnlm partit'* du declcnr.hc.mf.nl
câbles spécifiques, les réponses locales au TS/DB qui regarde si révéneiiipiit satisfail, les critères.
Il transmet sa réponse au TS/CB qui en inrnrine les LTS/CB ( T I - N O , TUYICS) q u i , à leur tour, i n f o r m e n t le.s LTS/DB. La. figure 1.2 m o n t r e le flot des informations entre les différents modules.
Dans la con figuration actuelle, non d é f i n i t i v e , I' YT II IA reçoit les contributions de certains LTS/1) B (OI) et SAT) et un signal, connu sous le nom de "trigger Bl", produit, parallèlement'5 et contenant- la réponse globale des antres détecteurs. (Jette i n s t a l l a t i o n temporaire et non prévue dans la structure initiale assure une partie du déclenchement de Delphi jusqu'à l'installation du système complet.
1.3.5 Déroulement de l'acquisition
L'acquisition comporte quatre phases distinctes, chacune, associée à une mémoire tampon. Les deux premières se déroulent en parallèle d a n s les p a r t i t i o n s , la troisième effectue le regroupement des données el la dernière est l'écriture sur le support final.
Phase 1
La première phase se déroule juste après Ic croisement des faisceaux. KIIe consiste essentielle- ment à déterminer s'il s'est produit un événement intéressant d u r a n t ce B(X). Les superviseurs locaux de déclenchement gèrent, sons le contrôle du superviseur central, les tâches synchrones avec le B(X) : premier et d e u x i è m e n i v e a u de déclenchement ( 1 1 , 12), et démarrage de la vidange de l'électronique de "front end" (1''KT20). Les é v é n e m e n t s acceptés par le deuxième niveau de déclen- chement sont transférés sous le contrôle d ' u n processeur local (CP27) d a n s des tampons pouvant contenir jusqu'à q u a t r e é v é n e m e n t s (1''MB1"*).
35O signal est produit n l'aide de modules NIM alors q u e 1rs M S et TS «ont dos modules Faslbiis
2 8FKF : Fmnt F/ml Frco.îiiR
2 7CP : OaIc Processor
"FBB : Front KmI
2 l
Phase 2
lia d e u x i è m e phase est a s y n c h r o n e m a i s t o u j o u r s lucalo. 1-e contenu du FKM est d'abord t r a n s f é r é p a r c h a q u e C I ' d a n s u n e ï i i c w n i r e m n l t i - é v é n e m c n l s !orale (CKB2 9). L'événement est e n s u i t e t r a n s f é r é d a n s u n t a m p o n m i i l l i - é v é n e m e n l ( M K H3" ) a u n i v e a u d e c h a q u e p a r l i t i o n . (."'est à ce stade ('gaiement que s'ellecliie la p a r t i e locale du troisième n i v e a u de déclenchement ainsi que le rejet des é v é n e m e n t s é l i m i n é s par le I r n i - i i è m c n i v e a u c e n t r a l (T3). L'espionnage des événements p o u r la s u r v e i l l a n c e des détecteurs est e l l e c t n é à ce stade : les événements sont copiés dans un t a m p o n (SI1IIV1') on ils seront lus e n s u i t e p a r un m i c r o v a x . Les s u p e r v i s e u r s d ' é v é n e m e n t l o c a u x (LF-S'''2), sous le C(UiIiMe du s i i p e i v i s e u r c e n t r a l (!'•S'"'), gèrent les opérations : troisième, nive.au de d é c l e n c h e m e n t , t r a n s f e r t du CMU veis le M F U1 é c h a n t i l l o n n a g e des é v é n e m e n t s . La d é f i n i t i o n exacte d ' u n e p a r t i t i o n est l'ensemble des voies l u e s par u n LFS.
Phase 3
La troisième phase est la l e c t u r e de l ' é v é n e m e n t complet et son r a n g e m e n t d a n s le t a m p o n c e n t r a l Fast IMIS (CKH3 1), d e r n i e r n i v e a u de m é m o r i s a t i o n a v a n t le s u p p o r t f i n a l . KlIe est prise en charge par le (!KC35 qui pilote un e s c l a v e "Block Mover" p e r m e t t a n t le t r a n s f e r t direct e n t r e les
Phase 4
Le t r a n s f e r t de r é v é n e r n c n t compiel vers le s u p p o r t final, après un q u a t r i è m e n i v e a u de déclen- c h e m e n t e fleet né par les é m u l a t e u r s .'M)H I/F,1"1 c o i i ^ l i l n e cette d e r n i è r e phase. Il a lieu par F i n l e r m é d i a i r e de l ' o r d i n a t e u r c e n t r a l de l ' a c q u i s i t i o n "I ne sera pas d é c r i t ici.
D e l p h i a choisi la n o r m e de I r a n s f e i t de d o n n é e s l ' a s l b u s d o n t les c a r a c t é r i s t i q u e s sont rapide r n e n l rappelées d a n s l e p r o c h a i n p a r a g r a p h e .
1.3.G Lc standard d'acquisition : Fas I bus
D é f i n i par I I1I K K [•')], le protocole Fast bus est u n e n o r m e d'acquisition de données qui permet, le t r a n s f e r t p a r a l l è l e de. données à g r a n d e vitesse; la b a n d e passante est de 80 M i l ? , !/utilisation de l a logique K(;L3 7 l u i confère u n e b o n n e i m m u n i t é n u b r u i t .
"CKU : ('rate Kvrnl Hu(TfT
1 0M I C I i : M n U i K v r n l Hiiffcr
" S K U : Spy Bvi-nt Un(TfT
3 7IiKS : !,lirai Kvrnl Supervisor
3 3K S : Kvrnl Supervisor
1 4C K I t : Global FiVtmt Huiler
"GKC : Global Kvrnl Controlrr
•1 Bl,Viiinlnt(Mir .1081/K i-sl Ir p r o d u i t il'uiii- r n l l n l m r a l i n n C K U N / S l i A O1. K u i m i l e r C'onplrd l,ogir:
Tl
Caractéristiques principales
L'originalité «le la norme l'a s thus consiste à. utiliser d e u x s u p p o r t s physiques différents dits segments : châssis et câble. Le même protocole s'applique i n d i f f é r e m m e n t à. l ' u n ou à l'autre. Ils sont reliés entre eux par des modules spécifiques permettant, de coupler ou de découpler plusieurs segments.
Lo protocole l'astbus s'articule a u t o u r des concepts de m a î t r e et d'esclave. Le premier est un modulo qui prend l'initiative des transferts alors q u ' u n esclave ne peut qu'y répondre. Certains modules ont un rôle général de contrôle des t r a n s f e r t s el sont présents sur chaque segment.
L'utilisation d ' u n protocole d'échange de l y p e a synchro ne rend la correction d'erreur aisée mais i n d u i t des temps de transmission élevés, en p a r t i c u l i e r lors des échanges entre 2 modules très éloignés l'un de l'autre. A f i n d'éviter le temps mort dû au transfert des signaux de contrôle, on peut utiliser le transfert de blocs en mode pipeline p o u r lequel un intervalle de temps fixe est i m p a r t i pour chaque transfert (transfert, synchrone). Les s i g n a u x de contrôle sont, véhiculés pour Ie premier mot seulement. Cc mode pipeline n'est pas utilisé à. Delphi à cause de la complexité de Ia. correction d'erreur.
Le bus est de type multiplexe : il utilise les mêmes 32 lignes pour transporter alternativement les adresses et les données. 32 lignes supplémentaires véhiculent les signaux de contrôle.
Repérage des modules dans un système
Chaque segment se voit, assigner u n e adresse dite de groupe qui Ie désigne de fa.çpn univoque d a n s Ia structure. Cha.que module s u r un segment est repéré soit par sa position géographique soit par une adresse logique ; ceci constitue l'adresse du module. L'espace accessible à l'intérieur de chaque module est divisé on deux partira a y a n t clianuic IMI c.lia.rnp d'adrrsso de 32 bits : l'espace CSR (Control and S t a t u s Registers) qui contient les registres de contrôle du module, et l'espace données. Dans chaque sous espace, l'adresse secondaire d é t e r m i n e la ressource utilisée.
Tour accéder à u n e ressource particulière d ' u n esclave, Ir maître initiateur du transfert doit, f o u r n i r deux i n f o r m a t i o n s : l'adresse primaire c o m p r e n a n t l'adresse de groupe, l'adresse du module et. l'espace concerné (contrôle ou donnée) et. l'adresse secondaire. Une connexion peut également ê t r e établie entre un m a î t r e et plusieurs esclaves; c'est l'adressage en dilTusion. Dans ce cas, les esclaves sont choisis non par leur adresse mais par l e u r classe (définie d a n s un registre particulier) ou parce qu'ils ont. ries données à f o u r n i r .
Arbitrage
A f i n d'éviter tout risque de conflit, entre m a i Ires sur un bus, un seul maître doit à. chaque instant pouvoir c o m m a n d e r sur ce bus. Les m a î t r e s d é s i r a n t utiliser le bus font une demande d'arbitrage.
Chacun possède un niveau d'arbitrage (Al/w) sur 5 bits. Celui q u i a le niveau Ie plus élevé gagne la maîtrise du bus et peut diriger le.s opérations.
"AI. : Arbitration 1/cvcl
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Cycles A r b i t r a g e Adressage p r i m a i r e Adressage secondaire Transfert do données
Décision in ii it re
C K AS I ) S I)S
esclave A K I)K I)K
Inrorinalion m a i t r o
A L MS 0-1 MS 0-1 MS 0-1
esclave SS 0-2 SS 0-2 SS 0-2
Tableau 1.2: fiigntiur rlc contrôle.
Cycles Fnstbus
Toute o p é r a t i o n débiile par HM cycle d ' a r b i t r a g e . Lo mail.ro q u i a obtenu la r n a î t i i s o du bus sélectionne l'esclave voulu par son adresse : c'est le cycle d'adressage p r i m a i r e . 11 doit ensuite effectuer le cycle d'adressage secondaire. Le cycle s u i v a n t est un cycle do donnée et. permet do préciser Io type de t r a n s f e r t ( l o c l i i r o / é . e r i l u r o , mot simple ou t r a n s f e r t de bloc....). Lo m a i t r o doit ensuite rendre à l'esclave sa l i b e r t é et libé-cr Io bus a f i n d'autoriser le cycle d'arbitrage s u i v a n t .
.Ie. v o u d r a i s ici rappeler la s i g n i f i c a t i o n de q u e l q u e s s i g n a u x de contrôle utilisés d a n s les chapitres 2 et .1. Kn ce qui concerne l ' a r b i t r a g e , Io r n a i t r e q u i ;i o b t e n u Ir contrôle dii bus a l l u m e la !igné CK3!'.
{'our les cycles d'adressage et do d o n n é e , il y a t o u j o u r s un signal, f o u r n i par Io m a î t r e , d é c l a r a n t L'envoi do l ' i n f o r m a t i o n (strobe) et u n accusé do réeoplion, renvoyé par l'esclave (acknowledge) : AS et A K1 n pour l'adressage p r i m a i r e , MS el I ) K1 1 d a n s les a u t r e s cas. four c h a q u e opération les d o u x lignes MS12 i n d i q u e n t le type d ' o p é r a t i o n , et les (rois lignes SS13 i n d i q u e n t Io succès ou l'échec de l ' o p é r a t i o n . M a n s le cas p a r t i c u l i e r du t r a n s f e r t do bloc, SS=2 indique la fin du bloc do données. Le t a b l e a u 1.2 résume les s i g n a u x u t i l i s é s .
Modules géncrnux
• Logique, a n o i l l a i r o
Certaines opérations, telles que les cycles d'adressage en diffusion ou les cycles d'arbitrage, font i n t e r v e n i r plus de d e u x modules. La logique ancillairo, obligatoire sur chaque segment, assure la s y n c h r o n i s a t i o n globale do l'ensemble des modules impliqués dans une telle opération.
Mans le cas do l'adressage en difl'usii-.n, un i n a i l r o c o m m u n i q u e , avec plusieurs esclaves qui ne foiictionnent pas forcément à la men e vitesse. Si on laisse chaque esclave envoyer son accusé de réception au m a î t r e , seul Io plus r a p i d e a u r a Io temps d'effectuer l'opération, les autres étant i n t e r r o m p u s an milieu par le i n a i l r o qui croit, l'opération terminée. L'accusé de réception est, donc i n h i b é d a n s les esclaves et envoyé pai la logique ancillairo selon une base do temps prédéterminée.
• SI
" f î K : Cîrnut Akiumleclgn
4 0A S : Address Strobe, AK : Address Arknmvleclge
"DS : Data Slmbc, PK : Data Arlcnmvled|çe
"MS : Master Solorl '1SS : Slave S t a t u s
2 l
MAITRE ESCLAVE
O
CHASSIS CABLE
r
Figure 1.3: Schématique, l'astbus cl exemple, de. ti/stcme simple basé sur trois segmenta Le SI1*1 joue Io tôle d'interrupteur entre doux segments. Il est maître ot esclave sur le châssis et le câble. Dos q u ' u n e connexion doit ôlro établie entre un châssis cl un câble, un SI, qui est l'interface nécessaire, est utilisé. Dos modules spécifiques sont disponibles mais n'importe quel module peut incorporer une logique de Sl. Il PII existe de deux types, unidirectionnel ou bidirectionnel. Les SI le plus souvent uiilisés sont, dos modules spécifiques et bidirectionnels [4] mais dans DoIplii, on utilise également Io SI unidirectionnel du maître FIP15 [18]
Schématique
J'utiliserai à plusieurs reprises, dans la suite dore rapport, des schémas de système d'acquisition.
Le but de ce paragraphe est de rappeler rapidement les symboles utilisés.
La shématique de représentation d'une s t r u c t u r e Faslbtis comprend 4 symboles : un maître est représente par un rectangle, >:n esclave par un ellipsoïde, un châssis par une ligne brisée et un câble par une ligne courbe. La figure 1.3 montre ces symboles ot l'exemple d'un sys.cmo à trois segments.
Le maître M peut communiquer avec l'esclave ICI en u t i l i s a n t son propre châssis. Il peut accéder F/2 sur le câble par l'intermédiaire du Sl et K3 sur le second châssis en traversant les deux SI.
1.3.7 Structure Fastbus du système d'acquisition
La figure 1.4 montre la structure Fasl.bus du système d'acquisition de Delphi. Bien que non encore opérationnels, les émulateurs sont représentés. Le tronc de l'arbre, appelé à tort la "partition centrale", comprend les modules c e n t r a u x (<ïK(!, CKB, KS ...) ot reçoit les informations de toutes ses branches formées par les partitions. Pins de fit)!) microprocesseurs BRO(IO et (!8020 traitent les données récoltées par 1(50 châssis Faslbus interconnectés par près de fi km de râble Faslbus.
"SI : Segment Inlerrnnnerl
IRSS1 : Simplex Segment Interconnect
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U U U l E U h - U E
OU
CP CEB
AUTRES PARTITIONS
Micro-VAX (VAX)
Figuro 1.1: filrur.hirr <ln sii.ilr.mc d'ac.qui.iilwndc Delphi
Chapitre 2
Le système d'acquisition du Détecteur Externe
Le Détecteur Externe (OD) est compos» tin 21 planches contenant 5 couches de 20 tubes à dérive de 4.5m de long cl I.GSx 1.65cm2 de section. An lotal, 7000 canaux de lecture permettent de reconstruire la trajectoire des particules chargers. La figure 2.1 montre la disposition des planches.
L'OI) f o u r n i t une mesure précise de la coordonnée transverse T(J>.
Le Détecteur lîxlerne participe au déclenchement sur 1rs traces chargées. Les réponses extrême- ment rapides délivrées pa.r l'électronique de n u m é r i s a t i o n lui permettent d'être une pièce maîtresse du déclenchement de premier niveau.
Une particule chargée traversant un t u b e ionise sur son sillage le gaz qu'il contient. Les quelques 150 électrons libérés dérivent vrrs Ir fil de I I O /;rn placé au centre du tube et porté à un potentiel de -(.'I kV. Lo c h a m p électrique intense an voisinage t]n fil provoque un phénomène d'avalanche qui am- plifie la charge collectée. Le mélange de ga/ choisi1 permet d'atteindre le régime de fonctionnement dit "streamer limité" ; le fa.cteur d ' a m p l i f i c a t i o n de quelques IfV* fournil alors des impulsions de grande amplitude et de lernps de moulée très coinIs, t y p i q u e m e n t 80 mV (pour une impédance de 100 fî) et 3 nu sans recourir a u x services d ' u n arriplihValenr. L'OI) tire deux informations de ces
'51% Argon, 48% Isobutanc ri 1% l'rnpnm.l
I'Aigurc 2.1: Disjmsilion <l>:s ylnnrhra 'Ic lubes dans le. Delr.ctf.nr Externe.
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signaux :
• La distance de passage de la particule :in IiI esI. déduite de la mesure du temps écoulé entre le passage de la particule et. l'apparition <ln signal", (''est Ia mesure dite "r0" dont la précision atteint. K)O /mi.
• I,a position de la particule Io long du fil est obtenue en comparant les letups d'arrivée «les signaux a u x deux extrémités du tube. Uni1 variation do 500 />s de cette différence correspond à un déplacement en z de 7 cm. La précision obtenue est. de cet, ordre.
Les signaux recueillis aux deux e x t r é m i t é s du tube sont transportés sur des câbles coaxiaux jusqu'aux baraques d'acquisition. .181 c a r t e s de réception réparties dans l(i châssis assurent leur discrimination (seuil à IO mV) et leur coinorsion en M(M/3. Les signaux se présentent sous forme de créneau PXM, dont les informations temporelles relatives soit à, un signal de référence soit au signal de l'extrémité opposée du même lube vont ê t r e numérisées.
(Je chapitre rapporte les récentes modifications apportées au système d'acquisition du Détecteur Externe. Une documentation plus technique est contenue dans la référence [S]. L1OI) constitue une partition simple basée sur le schema s t a n d a r d de Delphi comme le montre la figure 2.2. Le para graphe 2.1 décrit la numérisation des signaux. Le cadeticetnent et le déclenchement de l'acquisition sont décrits dans le paragraphe 2.2. et la Inclure des donnés exposée dans le paragraphe 2..T. Le paragraphe 2.1 décrit le Format des données. La ligure 2.3 résume le déroulement de l'acquisition des données décrite dans ce chapitre.
La nomenclature utilisée, en grande p a r t i e déjà introduite au chapitre I, est résumée dans un glossaire.
2.1 La lecture fies tubes et In numérisation
La conversion des signaux en données numériques est assurée par 101 cartes Kaslbiis de deux types différents. Les cartes TIM)' [fi] produisent ICK données de déclenchement ainsi que la mesure de la coordonnée longitudinale <>t la liste des lubes touchés. Les TI)(I5 [7] donnent avec une grande précision le temps de dérive des électrons duquel on déduit la coordonnée transverse. Les modules de numérisation assurent également la suppression de /éro ce qui permet de réduire le volume des données aux seules données utiles qui représentent, dans le cas d'un événement hadronique typique, environ 5% de l'ensemble des voies de lecture.
2.1.1 Les TFD
Les cartes MM1M) ont été développées et réalisées nu LPN II K- Paris. Les tests de ces cartes ont été effectués à l'aide des modules l'M'f ï" [8.!)| également réalisés au LPNIIl'',. Trois circuits intégrés
'(> temps fui npprlr Irnips «In rlt'-rivr
1TFI) : 'l'rÎRRT F.-isfbns Pigilm-r
5TF)C : Timn Io Digital Convert CT*
6FPc; : Fastl>ii« Pattern fïrnrralur
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TFD TFC TFD TFD
CI
Tecroy T D C
Ordinateur d'équipement
Figure 2.2: Architecture, du .-,y.ilf'wr. rfWyiifWiinn du Detr.ctr.nr Kxlcmr.
2!)
TFD envoie les 3 mots de premier niveau
a LUCIFER
LUCIFER envoie 2 bus de réponse locale
a PYTHiA
ZEUS retourne la réponse globale Tl
TFD envoie 1 mol/lracc de deuxième niveau
a LUCIFER
I n i t i a l i s a t i o n
TFD et TDC N u m é r i s e n t
LUCIFER envoie la réponse locale
a IaTPC
ZEUS retourne la réponse globale T2
CP Envoie NELDONE a PANDORA
PANDORA Envoie FE_RDY -> ZEUS
±
•*< T2
CP Vidange LUCIFER TFD et TDC -> FEB
ZEUS a reçu tous les FE.RDY
'2.V. DfiwilfHirnl di: l'nr.i]ui.iilit)n du l)f.lt:e.lcnr Kxtcrnc
;*
I Constont t N/lean
JC2:
9'.»9
dill, été spécialement créés : Io F I1I ) C ( enliven is^eur temp1; n i i m e i i q i i o r a p i d e ) , IP < ?. > (7 m n \ o n ) ol If Tl' ( t i o i i V o n r 'Ic !races) '1"Ol les fonclioiis soronl (l<''l:)illoes d a n s los p r o c h a i n e p a r a g r a p h e s .
Dans IP systonip (!'Requisition dp I ' O I ) , 88 I T I ) piled l i e n t Ia n u m é r i s a t i o n rapid'1 do F i n f o r i n a - li'Hi PH 7, U U P rpconnaissancp dps !races, el. la m é m o r i s a t i o n des lubes totirhos. C h a q u e carlo I r a i l e 3 colonnes de lubes p r o v e n a n t dp 3 p l a n c l i p s miilliploxécs de façon à i n i n i t n i s e r IPS superpositions : des planclips distantes de ?r/3 soul t r a i l ô o s par la W Ô I I I P c a r l e .
Les circuits FTDC
O FTIK! [Id] par c a r l o assurent la n u m é r i s a t i o n r a p i d e dp la coordonnée l o n g i t u d i n a l e sur les 3 couches do lubes conlralps (2081I UiI)Ps). I.-PS voios sont multiplexers par 3 d a n s ce circuit qui (!«multiplexe l u i môme los signaux JMI sortie. Si plusieurs voies miiltiploxées sont simultanément touchées, soûl le signal le premier a r r i v é est numérisé, les autres c.a.naux touchés étant perdus. Los FTl)C utilisent la, dilTérenco do temps entre l'arrivée des signaux provenant dos doux extrémités dos tubes, l ' u n j o u a n t Io rôlo do "start" el l ' a n t r e , s y s t é m a t i q u e m e n t retardé de IG ns, Io "stop".
Chaque valeur do z est convertie on (//.« sur fil bins ce q u i correspond A mie segmentation do Rem ; le résultat est codé par un mot do. 6 bits i n d i q u a n t la t r a n c h e touchée. Cette information est utilisée pour Io déclenchement el, jointe au Ilot de données.
Les circuits TF
Au nombre de 9 par carte TFI), los TF [ I I ] effectuent une reconnaissance dos traces dans le plan transverse. Ils détectent un a l i g n e m e n t sur n couches on 0, où n est compris entre 3 et. 5 et programmable circuit par c i r c u i t . Lo OU dos réponses par planche est utilisé pour le déclenchement de premier n i v e a u .
Les circuits <z>
Les circuits < z > [12] participent essentiellement, au déclenchement. Pour chaque trace reconnue par les TF, ils calculent la valeur moyenne de la coordonnée z sur los trois couches internes à partir dos informations délivrées par les FTIK! : si au moins 2 des 3 valeurs de z concordent, à. 1 bin près, un bit du mot z do premier n i v e a u PS! a l l u m é (voir §2.2.2). Cello, information est également concaténée avec l'information relative à la colonne loiicliée el utilisée pour le deuxième niveau (voir
§2.2.3).
2.1.2 Les TDC Lecroy
Los TI)C de la société Lecroy [7] sont ulilisées à douze7 exemplaires pour la. mesure précise de distance m i n i m a l e d'approche do la p a r t i c u l e au fil. L e u r cadencoment est géré à. l'aide de l'esclave CAT8 [13] qcii lecir distribue, les srgnany <lr ronf «ilo ncrcssarrcs. Chaque carte. TDC traite
7U n trci/irme 1I1I)C contient (1rs dnnnrr* rnrrpislnVs pur Ic TOI1'
"CAT : Calihrnlinn And Timing
3l
*7? 0 8 1 8 7 Constant 50.70 O 1OSSE O'
