Performances du détecteur en silicium à micropistes de l'expérience STAR à RHIC

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Performances du détecteur en silicium à micropistes de

l’expérience STAR à RHIC

Jonathan Bouchet

To cite this version:

Jonathan Bouchet. Performances du détecteur en silicium à micropistes de l’expérience STAR à RHIC.

Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université de Nantes, 2007. Français. �tel-00199494�

-ÉCOLEDOCTORALE

SCIENCESETTECHNOLOGIESDEL'INFORMATIONETDESMATÉRIAUX

Année:2007

N

◦

attribuéparlabibliothèque

Performan es du déte teur en sili ium à

mi ropistes de l'expérien e STAR à RHIC

THÈSE DE DOCTORAT

Dis ipline:Physique Nu léaire

Spé ialité:Physique des IonsLourds

Présentéeet soutenuepubliquementpar

Jonathan BOUCHET

Le29 o tobre2007, devant lejury i-dessous

Président BarbaraErazmusDire teurde re her he, CNRS,Subate h,Nantes

Rapporteurs JérmeLauretBrookhavenNational Laboratory, Upton

SpyridonMargetisProfesseur, KentStateUniversity, Kent

Examinateurs JérmeBaudotMaître de onféren e, UniversitéLouis Pasteur,IPHC, Strasbourg

BarbaraErazmusDire teur de re her he, CNRS,Subate h,Nantes

SoniaKabanaProfesseur, Universitéde Nantes,Subate h,Nantes

SpyridonMargetisProfesseur, KentStateUniversity, Kent

Dire teurde thèse : SoniaKabana,Professeur,Universitéde Nantes,Subate h,Nantes

experiment at RHIC.



Performan es du déte teur en sili ium à mi ropistes de l'expérien e

STAR à RHIC.

Jonathan Bou het

JetiensenpremierlieuàexprimermagratitudeàSoniaKabanad'avoiren adré etravaildethèse.

Mesremer iementsvont aussiàJa quesMartino,quim'aa ueilliauseindulaboratoireSUBATECH

et a permis aussi que e travail se déroule dans les meilleures onditions en me permettant d'aller

travailler auBNL plusieurs foisdurant mathèse.

Je voudrais ensuite remer ier Jérme Lauret ainsi que Spirydon Margetis d'avoir été les rapporteurs

de ette thèseetpar lamême o asionde leurvenue enFran e.

Mer id'avoir luet orrigé e manus ritsousuneforme préliminaireetenfrançaisetpour m'avoirfait

parvenir leurs onseils etsuggestionsdans lesmeilleurs délais.

Ma gratitude va aussi naturellement à Jérme Baudot et Barbara Erazmus d'avoir jugé e travail.

Leurs remarques on ernant monmanus ritfurent aussitrès utiles.

Je n'aurais pu évoluer au sein de SUBATECH sans l'aide pré ieuse de Christelle Roy. Pour tout

e quetu asfaitpour moidurant es 3ans, mer i.

Je remer ie aussiLilian Martin de m'avoir a ueilliau sein du groupe STAR de Subate h durant ma

premièreannéedethèseetd'avoiren adré enpartie etravailde thèse.Jeleremer ie aussidem'avoir

permis de voirledéte teur envrailors de travauxdemaintenan e dudéte teur àBNL. J'asso ie à

esremer iements Joerg Reinnarth,post-do torant, pour sonaide etsoutien.

Je voudrais aussiremer ier lespersonnesde la ollaboration STAR quej'ai puren ontré.

Enpremierlieumesremer iementsvont àYuriFisyak,quiatoujoursréponduàmesquestionsetpour

sadisponibilité, ainsiquelesautres membresde laSoftware & Computingteam :JérmeLauret,

Spi-rydon Margetis, GeneVan Buren,Mi hael DePhillips,Lidia Didenko,Vi torPerevozt hikov, Maxim

Potekhin.

Mer i en ore inniment à Jérmepour sonaideetpour m'avoir proposéla responsabilité du ode du

SSD.

Jevoudraisaussiremer ierlesmembresdugroupeSVT,spé ialementRene Bellwied,quimedonnala

possibilité de présenter régulièrement mes travaux durant es meetings, ainsiqu'Helen Caines, Sarah

LaPointe, ChristineNattrass, MarkHeinz,YvanKotov, RafaelDerradi, Geraldo Vas on elos.

Finalement,jevoudrais remer ierlespersonnesdeLBNLetdeBNLquinousontrejointespourlerun

VII: Jim Thomas, Nu Xu, Howard Matis, Mi heal Levineet parti ulièrement Vi Nham Tram. Je te

suis vraiment re onnaissant pour ton aideetta présen e, àBNL etaprès.

Je voudrais aussi remer ier les thésards ave qui j'ai partagé diérents bureaux (avant et après

dé-ménagement) durant es3 années:Jérome, Karim, Cyril, Ahmed, Anneli,Zaïda.

Mer i aussià Muriel Fallotet Guillaume Batignepour leur aideetprésen e lors desrépétitions de la

soutenan e de thèse, ainsi qu'à Stéphane Bouvier et Christophe Renard qui ont toujours répondu à

mes questions.

Je remer ie aussiFabien (JDoe a ommen é),eva,otaking et

C

ie

.

Et nalementetpasdesmoindresun innimer iàmonfrère etmasoeur:pour votreaideetsoutien

A knowledgements

First ofall mygratitudegoesto SoniaKabana for herguidan e.

My thanks goes also to Ja ques Martino, dire tor of Subate h and allows this works was in good

onditions byallowing to goseveral timesat BNL.

I would like to thank Jérme Lauret and Spirydon Margetis for reading this thesis handwritten and

for their oming inFran e.

Thank you both for reading this manus rit (in fren h) and for giving me orre tions and advi es in

short timeinorder to improve it.

Mygratitudegoesalsoto JérmeBaudotand Barbara Erazmus to judgethis workasothers

disserta-tion members andfor their useful suggestionsfor the manus ript.

Ihave tothank ChristelleRoy,for herpre ioushelpat SUBATECH.For allthatyoumade formefor

these 3 years,thankyou.

Ialso thankLilianMartin forhavingre eivedmewithintheSTARgroup atSubate hduringmyrst

yearofthesis and forsupervisingpartly this thesis. Ialso thankyou for havingallowed meto see the

dete torinrealduringthedete tormaintenan einBNL.IjointothisgratitudeJoergReinnarth,post

- do torant,for hishelp andsupport.

I wouldtake theopportunity hereto thankthe peoplefrom theSTAR Collaboration I have met.

I would like to thank gratefully Yuri Fisyak for his help, advi es and disponibility and also all the

others STARSoftware &Computing members:Jérme Lauret, SpirydonMargetis, GeneVan Buren,

Mi haelDePhillips, Lidia Didenko,Vi torPerevozt hikov, MaximPotekhin.

Thanks againto Jérmewho gaveme theresponsabilityof theSSD software.

I wouldlike to thank the members of the SVTgroup : Rene Bellwield, who kindly gave methe

pos-sibility to regularly present my work during these meeting, Helen Caines, Sarah LaPointe, Christine

Nattrass, MarkHeinz,YvanKotov,Rafael Derradi, GeraldoVas on elos.

FinallyIwouldliketothankpeoplefromLBNLandBNLwhojoinedtheSSDteamforthisex iting

2007 run : Jim Thomas, Nu Xu,Howard Matis, Mi heal Levine and espe iallyVi Nham Tram. I am

deeply gratefulfor allyou didfor methese last monthsat BNLand after. Thank you.

I would also like to thank the PhD students with whom I shared dierent o es (before and after

move)duringthese 3 years:Jérome, Karim,Cyril,Ahmed, Anneli, Zaïda.

Thank you also to Muriel Fallot and Guillaume Batigne for their helpand presen eduring the

repe-titions of thethesis, aswell asto Stéphane Bouvier andChristophe Renardwhoalwaysanswered my

questions.

I alsothank Fabien (JDoe began),eva,otaking and

C

ie

.

And nally andnot of theslightest aninnity thanksto mybrother andmy sister,for your helpand

Introdu tion 17

1 Quelques éléments de physique des ions lourds 19

1.1 Plasmade quarksetgluons . . . 19

1.2 Diagrammedesphases . . . 20

1.3 Prédi tionsdes al uls QCD . . . 21

1.4 Collisionsd'ionslourds . . . 22

1.5 S énario de Björken . . . 23

1.5.1 Déroulement d'une ollision . . . 23

1.5.2 Le pouvoird'arrêt . . . 25

1.6 Lessignatures du plasmade quarksetde gluons . . . 27

1.6.1 Signatures éle tromagnétiques. . . 27

1.6.2 Suppression desquarkonia . . . 28

1.6.3 Mésons ve teursde faiblemasse, résonan es . . . 29

1.6.4 Augmentation del'étrangeté. . . 30

1.6.5 Suppression desparti ulesde hautesimpulsions transverses . . . 31

1.6.6 Charmeouvert . . . 32

2 RHIC 37 2.1 Complexed'a élérateurs auBNL. . . 37

2.2 Historique . . . 37

2.2.1 Complexe préa élérateur :leTandem etleBooster . . . 38

2.2.2 AGS . . . 38

2.2.3 RHIC:une vueglobale . . . 39

2.2.4 Sites expérimentaux . . . 40

2.3 STAR . . . 42

2.4 Coeurde STAR :TPC . . . 42

2.4.1 Des ription . . . 43

2.4.2 Système dele ture . . . 44

2.4.3 Re onstru tiondespointsd'impa ts danslaTPC . . . 45

2.4.4 Perte d'énergie etidenti ation desparti ules . . . 45

2.5 L'aimant . . . 46

2.6 Lesdéte teurs de dé len hement :ZDC etCTB . . . 46

2.7 Traje tographie dansles pseudorapidités élevées :lesForward TPC . . . 48

2.8 Les alorimètreséle tromagnétiques . . . 48

2.9.1 Le Sili on Vertex Tra ker . . . 49

2.9.2 Prin ipe de déte tion. . . 49

2.10 Le futurpro hede STAR . . . 52

2.10.1 DAQ1000 . . . 52

2.10.2 Forward Meson Spe trometer . . . 52

2.10.3 Time ofFlight . . . 53

2.10.4 Heavy Flavor Tra ker . . . 53

3 Le Sili on Strip Dete tor 55 3.1 Motivations etapportsde la4 e ou he de déte teurs en sili ium . . . 56

3.2 Des ription du déte teur . . . 59

3.2.1 Des ription généraledu SSD . . . 59

3.2.2 Modulede déte tionfrontal :généralités . . . 61

3.2.3 Déte teur en sili ium . . . 61

3.2.4 Cir uit dele ture A128C . . . 65

3.2.5 Le ruban TAB . . . 66

3.3 Rappels surlate hnologiedes déte teursau Si . . . 66

3.3.1 Jon tion PN . . . 67

3.3.2 Déte tion desparti ules . . . 69

3.4 Spé i itésdu SSD deSTAR . . . 70

3.4.1 Éle tronique de le ture. . . 70

4 Analyse des données in luant le SSD 73 4.1 Piédestaux etvaleursde bruits . . . 73

4.1.1 Notions etdénitions. . . 73

4.1.2 Stabilité despiédestaux . . . 75

4.2 Re onstru tion desamas de hargeduSSD lors delaprise desdonnéesCu+Cuà 62GeV 79 4.2.1 Re onstru tion ettaille desamasde harge . . . 80

4.2.2 Charge totaleet signalsurbruit . . . 84

4.2.3 Cas des ollisions à 200 GeV/ . . . 87

4.3 Partage desamas re onstruits . . . 87

4.3.1 Position desamasre onstruits. . . 89

4.4 Calibrage . . . 92

4.4.1 Méthodedu pulser. . . 93

4.4.2 Résultats . . . 95

4.5 Corre tions au logi iel . . . 97

4.5.1 Coupure sur lesignalsurbruit despistesvoisines . . . 97

4.5.2 Coupure sur lalistede pistes . . . 99

4.6 Angle de Lorentz . . . 101

4.6.1 Les résultatsde l'expérien eCMS. . . 102

4.6.2 Implémentation de l'eetde Lorentz danslelogi ielde re onstru tion . . . 103

5 Analyse des données produites in luant le SSD 107

5.1 Conditionsd'analyse . . . 107

5.2 Grandeurs duSSD en orrélationave ellesdes autresdéte teurs . . . 108

5.2.1 Densité depointsd'impa ts . . . 110

5.3 La te hnique d'alignement desdéte teurs de vertex . . . 111

5.4 E a ité detraje tographie . . . 113

5.4.1 Dénition del'e a ité de traje tographie

ǫ

track

. . . 113

5.5 Critèrede qualité . . . 118

5.5.1 Dénition . . . 118

5.5.2 Résultats on ernant laprodu tion P07ib . . . 120

5.5.3 Résolutionssurles DCA enfon tion de l'impulsion . . . 124

5.5.4 Ré apitulatif . . . 127

6 Te hnique de re onstru tion des parti ules étranges 129 6.1 Re onstru tiondu typeV0 . . . 130

6.2 Coupures . . . 135

6.3 Re onstru tiondes

Λ

. . . 139

7 Simulation 143 7.1 Code de simulation omplète . . . 143

7.1.1 Modélisation dusignal . . . 143

7.1.2 Cadre de lasimulation omplète . . . 145

7.2 Quelquesrésultatset omparaisons delasimulation omplète . . . 146

7.2.1 Taille desamas de harge . . . 146

7.2.2 Signal surbruit desamasde harge. . . 147

7.2.3 E a ités de traje tographie . . . 150

7.3 Simulation rapide . . . 152

7.3.1 Lesmotivations . . . 152

7.3.2 Lesprin ipesde lasimulation . . . 153

7.3.3 Résultats . . . 155

7.3.4 Densité depointsre onstruits . . . 156

A Piédestaux et bruits pourle run V 163 B Pour entage de pistes bruyantes 169 C Données Cu+Cu (62 GeV) : détail par é helle 173 D E a ité par é helle pourles ollisions Cu+Cu (62GeV) 181 E Traje tographie dans STAR 185 E.1 StarComputing Environnement . . . 185

E.1.1 Vued'ensembledu odede STAR. . . 185

E.2 Des riptionsommaire de TPT . . . 185

E.3 Tentative de traje tographie ave les points duSVT . . . 187

E.3.1 SvtGroupeR . . . 187

E.3.4 Testdu programme. . . 192

E.3.5 Svt Tra Ker. . . 193

E.3.6 Svt Ve tor tove torMat hing . . . 194

E.3.7 External Sili on Tra ker . . . 194

E.4 ITTF . . . 196

E.4.1 Stratégie généralede re onstru tion destra es. . . 196

E.4.2 Représentations desobjetsutilisés dansITTF . . . 201

1.1 Bosonsve teursdesquatre intera tions fondamentales[1℄ . . . 19

1.2 6saveursdesquarks [1℄ . . . 20

1.3 Cara téristiques desa élérateurs utiliséspour l'étudedes ollisions d'ionslourds . . . 23

1.4 Cara téristiques desprin ipales parti ules harmées re her hées par dé roissan e topo-logique dire te[1℄ . . . 34

2.1 Cara téristiques géométriquesduSVT . . . 49

3.1 Campagnes d'a quisitiondurant 7 annéesdu RHIC . . . 55

3.2 Propriétés desparti ulesde type Kink[2℄ . . . 58

3.3 Propriétés desparti ulesde type V0[2℄ . . . 58

3.4 Propriétés desparti ulesde type Cas ade[2℄ . . . 58

3.5 Cara téristiques desdéte teurs de traje tographie danslapartie entrale de STAR . . 59

3.6 Prin ipales ara téristiques du ir uit de le tureA128C . . . 65

3.7 Positions dans lesili iumdesniveaux d'énergiedesatomes dopeurs pour un gapde

E

g

=1.1eV (valeurstiréesde [3℄). . . 67

4.1 Statistique durun V àRHIC . . . 73

4.2 Valeursdesé arts-typesdesajustements gaussiens . . . 77

4.3 Pour entage du nombre d'amas re onstruits par le logi iel dont lataille est supérieure à5 pistes(

× 10

−1

) . . . 82

4.4 Valeurslesplus probables(MPV), é art-types(eterreurs asso iées) dela harge totale obtenue àpartir d'une distributionde Landau . . . 84

4.5 Nombre moyen de pistes parmodules etpar évènement . . . 100

5.1 Dénition des lasses de entralité pour des ollisions Cu+Cuà

√

_s

=200 GeV . . . . 108

5.2 Taille des amas de hargeen fon tion de l'impulsion transverse des tra esasso iéesau point re onstruit . . . 110

5.3 Densité depointsd'impa tsre onstruits dansleSSD pour des ollisions à

√

s

=200GeV110 5.4 Corre tions surles erreursasso iéesaux points duSVTet duSSD . . . 113

5.5 E a ités intégréesselon l'impulsiondes tra es . . . 117

5.6 Valeursdesrésolutionssur lesDCA (

µ

m) . . . 122

5.7 Valeursdesrésolutionssur lesDCA (

µ

m) . . . 122

5.8 Résolutionssur laDCA destra esd'impulsions P =1 GeV pour des ollisions à

√

s

= 200GeV . . . 127

5.9 Valeursduparamètre a pour des ollisions à

√

_s

=200GeV . . . 127

5.10 Résolutions sur laDCA (

µ

m) des tra esd'impulsions P =1 GeV pour des ollisions à

√

s

=200GeV Min-Bias . . . 128

6.1 Coupures géométriquesutilisées pour lare onstru tion duV0 . . . 132

6.2 Erreurs liéesà laméthode 1 . . . 132

6.3 Résultats . . . 135

7.1 Résumé des3 typesde simulationsétudiées ave le simulateur omplet . . . 145

7.2 ConversiondesvaleursADC ennombre d'éle trons . . . 146

1.1 Diagrammedesphases de lamatière nu léaire . . . 21

1.2 Densité d'énergie

ǫ

/

T

4

en fon tion de T/

T

c

pour trois ompositions dehadrons . . . . 22

1.3 La nu léo synthèse de hadrons. . . 22

1.4 Évolutionspatio-temporelled'une ollision d'ionslourds (dansle entre de masse). . . 23

1.5 Centralité de la ollision . . . 24

1.6 Distribution nettede baryonsen fon tionde larapidité normalisée . . . 25

1.7 Densité de parti ules hargées par unité de pseudo-rapidité mesurée à PHOBOS pour des ollisions Au+Auà

√

s

=200GeV . . . 26

1.8 Produ tion dephotons dansles ollisions d'ionslourds . . . 27

1.9 Suppression duJ/

ψ

mesurée par NA50 . . . 28

1.10 Fa teur de modi ation nu léaire

R

AA

du J/

ψ

en fon tion de

N

part

pour des ollisions Au+Au . . . 29

1.11 Masseee tivedessixquarks (é helle logarithmique) . . . 29

1.12 Degau he àdroite, lespe tre dedi-leptons en ollisions p-Be,p-AuetPb-Au . . . 30

1.13 Mé anismesde produ tionde l'étrangeté . . . 30

1.14 Augmentation de l'étrangeté mesuréeau SPSetau RHIC . . . 31

1.15 Fa teur de modi ationnu léaire

R

AB

. . . 32

1.16 Asymétrie deladistribution de matière pour des ollisions à paramètred'impa t non nul 33 1.17 Fa teur de modi ation nu léaire deséle trons pour des ollisions d+Au et Au+Au à

√

s

=200 GeV . . . 33

1.18 Mode de désintégration d'unepaire

c

¯

. . . 34

1.19 Dé roissan e hadroniquedu

D

0

_→K

+

_π

−

. . . 35

2.1 Vueaérienne desa élérateurset du ollisionneur RHIC . . . 38

2.2 Tandem VanderGra . . . 39

2.3 Vued'ensembledu RHIC . . . 39

2.4 Vued'ensembledesdéte teurs de PHOBOS . . . 40

2.5 Vued'ensembledesdéte teurs de BRAHMS . . . 41

2.6 Vued'ensembledesdéte teurs de PHENIX . . . 41

2.7 Coupe longitudinale deSTAR . . . 42

2.8 S hémareprésentant laTPC . . . 43

2.9 Coupe transverse d'unpad dele ture delaTPC . . . 44

2.10 Vueen oupe delaTPC . . . 45

2.11 Perte d'énergie enfon tion de l'impulsionpour diérentesparti ules . . . 46

2.12 Corrélation dessignauxmesurés dansles ZDCetles CTB . . . 47

2.14 S héma représentant les3 ou hesde déte teurs duSVT . . . 50

2.15 Modulede déte tion(SDD) du SVT . . . 50

2.16 Tempsde dérive :

t

max

-

t

0

:l'axexreprésentant l'indi e des120 athodesd'unemême fa e.

t

0

orrespondauxanodeslespluséloignées des athodesoù estappliquéelahaute tension . . . 51

2.17 Distribution de lavitessede dérive

v

drif t

desmodules duSVT . . . 51

2.18 Vue en oupe desaméliorations prévues espro haines annéesdansSTAR . . . 52

2.19 Gau he : vue de fa e des 2 ou hes du HFT - Droite : Arrangement des é helles de la ou he interne etexterne. . . 53

3.1 Résultats dessimulations montrant l'e a ité dunouvel algorithmede traje tographie EST . . . 57

3.2 Des ription généraledu SSD . . . 59

3.3 Supportmé anique du SSD etd'uneé helle . . . 60

3.4 Modulede déte tion . . . 61

3.5 Le module dedéte tion . . . 61

3.6 Vrais etfauxpointsd'impa tsdansun déte teurdouble fa e. . . 62

3.7 Analyse dusignal olle tépar les pistesfa eà fa e . . . 63

3.8 Résolution des asambigus . . . 64

3.9 Le ture des harges dansundéte teur ausili ium double fa eàmi ropistes . . . 65

3.10 Repliage etadaptation:solutions oertespar le TAB. . . 66

3.11 Stru ture debandes deniveauxd'énergie dansun semi- ondu teur . . . 67

3.12 Modélisationpour le al ulde lalongueurde déplétion . . . 68

3.13 Montageampli ateur asso iéausemi- ondu teurs [4℄ . . . 70

3.14 Ar hite turede le turedu SSD . . . 71

4.1 Distribution despiédestaux et desvaleursde bruit despistesd'unmodule . . . 74

4.2 Formatdes tablessto kant les valeursdes piédestaux etde bruits . . . 75

4.3 Valeurs moyennes despiédestaux etdes bruitspar é helle en fon tion du numéro d'a -quisition de laprise dedonnées . . . 76

4.4 Distribution de ladiéren e su essiveentre2 valeursde piédestaux etde bruit . . . 76

4.5 Évolution desvaleursmoyennesdespiédestaux en fon tion dutemps pour l'é helle 11 P 78 4.6 Lien despoints simulésave les points re onstruits . . . 78

4.7 Pour entage dunombre depistes bruyantes . . . 79

4.8 Nombredepistespourdesamasde hargere onstruitssurlesfa esPdetouteslesé helles 80 4.9 Formation d'unamas de harge ettaille desamas de harge en nombre de pistes pour les é helles(les barres d'erreurs sont statistiques) . . . 81

4.10 Comparaison de lataille desamasavant etaprès identi ation géométrique . . . 83

4.11 Charge totale des amasde hargede l'é helle 11. . . 83

4.12 Perte d'énergiedansdesmatériaux defaibles épaisseurs(gures tiréesde [5℄) . . . 85

4.13 Signal surbruit desamas de harge . . . 85

4.14 Étude sur lesignalsurbruit . . . 86

4.15 Charge totale des amasen fon tion deleur taille . . . 87

4.16 Comparaison des ara téristiques del'é helle 11 pour des ollisions à 62 et200GeV . . 87

4.17 Charge totale des amasen fon tion deleur taille . . . 88

4.18 Résolution d'un amas endeux . . . 88

4.19 Étude du rapportr =

q

R

q

R

+q

L

. . . 90

4.20 Cas desamasde hargeà 3pistes . . . 91

4.21 Répartition destypesde points d'impa tsre onstruits . . . 92

4.22 Corrélation des harges entrela fa ePet elles delafa eN . . . 93

4.23 Indi es des pistes des A128C re evant du signal provenant du générateur d'impulsion interne pour haqueé helle . . . 93

4.24 Réponseensignal de2 pistesau pulser . . . 94

4.25 Réponseensignal aupulser pour tousles A128C . . . 94

4.26 Valeursetdistributiondes oe ients orre tifs(runV) . . . 95

4.27 Méthode d'appli ationdesrapports . . . 95

4.28 Diéren eentreles hargesdelafa ePet ellesdelafa eNpourunmoduledel'é helle 3 96 4.29 Rapportentre les hargesde lafa ePet ellesde lafa eNpourun modulede l'é helle 3 96 4.30 Coupure às/b>3 pour toutes lestaillesd'amasde harge . . . 97

4.31 Étude pour toutes les oupures;restri tion àdes taillesd'amasde harge <10pistes . 97 4.32 Eetde la oupure ensignal surbruit appliquéesurles pistesvoisines . . . 98

4.33 Signal surbruit desamasdes harges en fon tiondes oupures . . . 98

4.34 Répartition despointsd'impa tsen fon tion des oupures . . . 99

4.35 Eetde la oupure surlalistedespistes . . . 99

4.36 Nombre de pistespar modules . . . 100

4.37 Répartition despointsd'impa tssanset ave la oupure . . . 101

4.38 Eetdu hampmagnétiquesurl'indu tion dusignalpar les porteurs de harges. . . . 101

4.39 Dé alage pour les éle trons et trous en fon tion de la température et de la tension de déplétion. . . 102

5.1 Nombre de tra es globaleset primairesde laTPC en fon tion du nombrede pointsdu SSD pour des ollisions Cu+Cu à

√

s

=200 GeVpour haque évènement . . . 108

5.2 Nombres detra esglobalesetprimairesdelaTPC enfon tion dunombrede pointsdu SVTpour des ollisions Cu+Cuà

√

_s

=200 GeV pour haqueévènement . . . 109

5.3 Taille des amas de harge et harge totale en fon tion de l'impulsion transverse des tra esglobales. . . 109

5.4 Densité de points d'impa tsre onstruits dansle SSD pour des ollisions Cu+Cu à

√

_s

=200GeV . . . 111

5.5 Illustrationdu désalignement . . . 111

5.6 Pro édured'alignement duSVT etduSSD . . . 112

5.7 Cal uldu domaine en pseudorapidité . . . 114

5.8 Nombresdetra espossédantkpointsajustésenfon tiondunombredetra espossédant npointspossiblespour le SSDetle SVT . . . 114

5.9 Nombresdetra espossédantkpointsajustésenfon tiondunombredetra espossédant npointspossiblespour l'ensemble SSD+SVT . . . 115

5.10 E a ités de traje tographie pour des ollisions Cu+Cuà

√

s

=200GeV . . . 116

5.11 Nombre de pointspossibles(haut)en fon tion deP pour 2 ongurations . . . 116

5.12 Eet destra es de bassesimpulsions transverses surla re onstru tion despoints d'im-pa tsdu SSD . . . 117

5.13 E a ités pour les ollisions Cu+Cu à

√

s

=62 GeV en fon tion de l'impulsion trans-verse destra es . . . 118

5.14 Extrapolation de la relation linéaire entre 2 points de mesure dans le plan transverse versle vertexprimaire . . . 119

5.16 DCA signées destra es. . . 121

5.17 DCA destra esglobales dansleplantransverse(gau he) etselon Z(droite) . . . 122

5.18 Ajustement des DCA intégrées dans le plantransverse par un polynme de degré 6 et une distribution gaussiennepour 2 ongurations (produ tionHigh-Tower) . . . 123

5.19 Démographie destra es . . . 124

5.20

σ

xy

DCA

:produ tion High-Tower . . . 124

5.21

σ

z

DCA

:produ tion High-Tower . . . 125

5.22

σ

xy

DCA

:produ tion Min-Bias. . . 125

5.23

σ

z

DCA

:produ tion Min-Bias. . . 126

5.24

σ

xy

DCA

:produ tion Min-Bias. . . 127

5.25

σ

z

DCA

:produ tion Min-Bias. . . 128

6.1 Vue s hématique de lagéométrie de ladé roissan edesvertex . . . 129

6.2 Vue s hématique de ladé roissan eV0 etdesparamètres asso iés . . . 130

6.3 Distribution etrapport signalsurbruit desV0 re onstruits . . . 132

6.4 Optimisation de l'ajustement linéaire dufond ombinatoire . . . 133

6.5 Masse invariantedes

K

0

S

en fon tion desdiérentes ongurations (Tab.6.3). . . 134

6.6 Masse invariantedes

K

0

S

en fon tion desdiérentes oupures géométriques . . . 136

6.7 Masse invariantedes

K

0

S

après optimisationsdesdiérentes oupures géométriques . . 137

6.8 Masse invariantedes

K

0

S

en fon tion desdiérentes oupures géométriques après in lu-sion d'unpointdu SSD . . . 138

6.9 Masse invariantedu

K

0

s

pour laprodu tion P06ib . . . 139

6.10 Masse invariantedu

Λ

enfon tion du de ayLength . . . 139

6.11 Masse invariantedes

Λ

. . . 140

6.12 Masse invariantedu

Λ

pour une longueur dedé roissan e supérieureà 15 m . . . 141

7.1 Résolution (

µ

m)surles pointsd'impa tsen fon tion del'angle in ident (algorithme du entre degravité) . . . 144

7.2 Résultats desimulationpourlatailledesamasde hargepour touteslesé helles umulées147 7.3 Résultats desimulation on ernant lesignalsurbruit desamasde hargepourl'é helle 11 . . . 148

7.4 Résultats de simulation on ernant le signal sur bruit des amas de harge pour toutes les é helles umulées . . . 148

7.5 Valeurs des bruits des pistes et des amas de harge pour l'é helle 11 provenant des données réelles . . . 148

7.6 Résultats de simulation pour les valeurs du signal sur bruit des amas de harge en fon tion de leurbruit . . . 149

7.7 Résultats de simulationde la harge totale desamas de harge enfon tion de leurtaille 149 7.8 Nombresdetra espossédantkpointsajustésenfon tiondunombredetra espossédant n points possiblespour lasimulation . . . 150

7.9 Résultatsdesimulationpourl'e a itédetraje tographiepourunbruitdespistesparfait150 7.10 Résultats de simulationpour l'e a ité detraje tographie pour unbruit despistes réel 151 7.11 Résultats desimulationpourl'e a ité detraje tographie pour unbruit despisteségal à 12 ADC . . . 151

7.12 Distribution despointsd'impa ts dansleSSD pour une simulation réaliste . . . 152

7.15 Diéren eentreles positions X,Y etZinitiales etaprèsdé alage . . . 154

7.16 Non-prise en ompte du dé alage pour ertaines é helles . . . 154

7.17 E a ité enfon tion de Pet

φ

. . . 155

7.18 Zonesmortesdans unmodulede déte tion . . . 155

7.19 Distribution de ladensitéde points d'impa tsre onstruits . . . 156

A.1 É helles1 à6 . . . 164 A.2 É helles7 à12 . . . 165 A.3 É helles13 à18 . . . 166 A.4 É helles19 à20 . . . 167 B.1 É helles1 à8 . . . 170 B.2 É helles9 à16 . . . 171 B.3 É helles17 à20 . . . 172 C.1 É helles1 à6 . . . 174 C.2 É helles7 à12 . . . 175 C.3 É helles13 à18 . . . 176 C.4 É helles1 à10 . . . 177 C.5 É helles11 à16 . . . 178 C.6 É helles16 à20 . . . 179 D.1 É helles1 à8 . . . 182 D.2 É helles9 à16 . . . 183 D.3 É helles17 à20 . . . 184

E.1 S hémad'analysepour lare onstru tiondes tra esdanslaTPC ave le ode TPT . . 186

E.2 Dénition desparamètres

ρ

et

θ

de latransformation de Hough . . . 188

E.3 Fon tion linéaire etsatransforméedansl'espa e de Hough . . . 188

E.4 Histogramme 2-Dreprésentant lesparamètres

ρ

,

θ

. . . 189

E.5 TransforméedeHough d'unetra edehauteimpulsionetreprésentation del'ajustement linéaire danslerepèrede STAR . . . 189

E.6 Positions des pointsre onstruits danslaTPC dansle plantransverse (X-Y) . . . 190

E.7 Régression linéaire dela relationv=f(u) . . . 191

E.8 Ajustement linéaire de latraje toire dansleplan(r,z) et oupuresutilisées . . . 192

E.9 Ajustement de l'héli eetprédi tion d'unpointdu SSD . . . 192

E.10 Résultats delaméthode . . . 193

E.11 Re her he despointsdansleSVT ave une méthodelo ale. . . 194

E.12 Illustrationde l'embran hement destra esetdu partage despoints . . . 195

E.13 Étapesde lare onstru tion destra es . . . 196

E.14 Philosophie duKalman . . . 197

E.15 Représentation héli oïdaled'une tra edansle plantransverse . . . 199

E.16 Proje tion d'héli esselon les plans(X-Y) et(S-Z) . . . 199

E.17 Minimisation desdistan es de plus ourte appro he destra es . . . 201

Depuisplusde7ansdes ollisionsd'ionslourds ultrarelativistes ontlieuauRHIC 1

dontlebutest

de mettre en éviden e etd'étudier leplasma de quarks etde gluons,un état de lamatière qui aurait

prévaluaux touspremiers instantsde l'univers.

Ces expérien es d'ionslourds sonta tuellement leseulmoyenen laboratoire dere réerdes onditions

de pression etde température si élevées. L'intensité atteinte est un dé te hnologique pour la

déte -tion du nombre important de parti ules produites lors de es ollisions. An de réaliser et obje tif,

l'expérien e STAR

2

s'estdotée d'unensemble detraje tographie qui reste à e jour le plusimposant.

Cet ensemble se ompose d'un déte teur à gaz pour la re onstru tion des tra es des [arti ules

har-gées et de déte teurs en sili ium pour la re onstru tion pré ise du point d'intera tion de la ollision.

Durant l'année 2005, pour la première fois, sonensemble de traje tographie interne était omplet et

entièrement a tifpour laprise desdonnées.

Deuxlaboratoiresfrançais(l'IReSde Starsbourg etSubate h deNantes) ont ontribuéà l'élaboration

d'undesdeuxsoussystèmedutraje tographeinterne omposédedéte teursen sili iumàmi ropistes

double fa e(SSD

3 ).

Dansle hapitre 1nousrappellerons brièvement le adrethéorique ayantlieu lors des ollisions d'ions

lourds. L'intera tion forte est la for e dominante lors de es pro essus physiques. Puis nous verrons

omment,àpartird'observables expérimentales,lessignauxphysiquesservantàl'étudedumilieu rée

lors des ollisions d'ionslourds sonttraduits. Ces signauxdoiventdonner uneinformation surla

réa-tionoù non duplasmade quarks etdegluons.

Le hapitre 2 sera onsa ré aux systèmes de déte tion installés auprès du RHIC. Faisant parti de

la ollaboration STAR, l'a ent sera prin ipalement donné sur la des ription des déte teurs de ette

expérien e.

Le hapitre 3 onsistera en une des ription du déte teur dont notre thèse est le sujet. Les

généra-lités ainsique lesspé itésinhérentes à e déte teurseront données.

Le hapitre 4estuneanalysedesperforman es dudéte teur. Lespointsessentielsdelare onstru tion

hors-lignedesdonnéesserontexpliqués.Nousdénironsaussilesgrandeursrelativesàlare onstru tion

despointsd'impa tsdans e déte teur. Nousee tuerons une omparaison de esgrandeurs entre les

ollisions Cu+Cu à

√

s

=62 GeV età

√

s

=200 GeV. 1

Relativisti HeavyIonCollider

2

SoneloidTra keratRHIC

3

Au hapitre 5 nous verrons omment es données s'intègrent dans le s héma global du ode de

re- onstru tion des tra es de parti ules dans STAR. Nous y dénirons la notion d'e a ité que nous

avons utilisée dans notre étude et nous étendrons notre analyse des qualités de la re onstru tion à

l'ensemble total desdéte teurs devertex.

Ce hapitre servira de lien ave le hapitre 6 qui analysera de façon quantitative la re onstru tion

desparti ulesétrangespourlesquelleslesdéte teursdevertexapportentuneaméliorationsigni ative.

Le hapitre 7traiteradu odedesimulationdesdonnéesduSSD.Nousydonnerons aussiune

Quelques éléments de physique des ions

lourds

1.1 Plasma de quarks et gluons

Le modèle standard dé rit les intera tions fondamentales (gravitation, for e éle tromagnétisme,

for enu léaire faibleetforte) entrelesparti ules. Àl'é hellede lamatièreordinaire quenous

onnais-sons, les intera tions entre les nu léons (les partons) se font par l'intera tion forte, dé rite par la

hromodynamique quantique(QCD).

Historiquement, la QCD a été bâtie selon lemodèle de l'éle trodynamique quantique (QED) dansla

mesure où la des ription de 2 parti ules se fait par l'é hange de boson ve teur. Ainsi, par analogie

ave l'éle tromagnétismeoùl'intera tiondesparti ules hargéessefaitviaunphoton,lesquarks

inter-agissententreeuxparl'é hangedegluons.Poursuivantl'analogieave l'éle tromagnétisme, onattribue

Intera tion Gravitation Éle tromagnétisme Faible Forte

Médiateur Graviton Photon

W

±

,

Z

0

Gluons Masse 0 (?) 0 80.425, 91.1876 0 Spin 2 1 1 1

Tab.1.1 Bosonsve teurs desquatreintera tions fondamentales [1℄

une hargede ouleur auxquarks(rouge,vertetbleu)qui portentune hargeéle triquefra tionnaire.

Nous lassons les hadrons (parti ules soumises à l'intera tion forte) en deux atégories : les baryons

( omposésde 3 quarks) etles mésons( omposésd'un quarketd'unanti-quark

1

).Cependant,

expéri-mentalement unquarkn'ajamais puêtre isolé, 'est lephénomène de onnement.

Pour expliquer e phénomène, on peut aussi, à l'instar de l'éle tromagnétisme, asso ié un potentiel

d'intera tion entre lesquarks quiest delaforme (exprimée àtempérature nulle):

V (r) =

−α(r)

r

+ kr

(1.1)

1

Lesbaryonsetles mésonssont desobjetsblan sd'unpointdevuede hargede ouleur, 'est-à-direqu'unbaryon

peutpossédertroismêmesquarksmaisave une hargede ouleurdiérente:

Ω

−

=sss

≡

q

r

q

v

q

b

etun mésonunquark

Masse (GeV/

c

2

) Charge éle trique (Q/e)

u (1.5- 3)

10

−3

2/3 d (3 - 7)

10

−3

-1/3 s (70- 120)

10

−2

-1/3 (1.16 -1.24) 2/3 b (4.13 -4.77) -1/3 b (170.9 -180.5) 2/3

Tab.1.2 6saveurs desquarks [1℄

ave

α(r)

la onstante de ouplage forte et r la distan e inter quarks, k la onstante de ouplage

représentant latensionde la ordeliant les2 quarks.

La onstantede ouplage

α(r)

estdé roissanteave l'énergied'intera tion Qentreles quarks(elleest

i i expriméeen fon tion de rtel queQ

≃

1

r

).

Nous remarquonsde l'équation1.1:

 à faible distan e r (pour les grandes valeurs de Q telles que

Q

2

_{≫ Λ}

2

QCD

2

) : le premier terme

hyperboliquedominedans etterégion.Quandr

→

0,

α(r) →

0,onparlealors deliberté

asymp-totique arles quarksne subissent plus d'intera tion mutuelle[6℄.

(Dans esdomaines d'énergie,les al ulsthéoriquespar perturbation sont réalisables)

 pour r grand, le potentiel varie linéairement ave r et maintient les quarks onnés dans les

hadrons.

Dèsqu'onfournitplusd'énergiepour séparerlesquarks,la ordereliantlesquarkssebrise,mais

e phénomène rée2 pairesde quarks-antiquarks :on n'observeradon pasde quarkslibres.

Dans esdomainesd'énergie,onare oursàdes al ulsdeQCDsurréseau(le al ulpar

pertur-bation n'étant plus possible du faitde lavaleur élevée de

α(r)

).

Les enjeuxa tuelsde laphysique nu léaire estde mettre enéviden e unephase danslaquelleles

par-tons seraient dé onnés etseraient alors libres :leplasmade quarksetde gluons(PQG).

1.2 Diagramme des phases

Onreprésente pour dé rirequalitativement lesdiérentsaspe tsqueprenddelamatière nu léaire

un diagramme desphases de lamatière nu léaire (Fig. 1.1) :en abs isse estdonné lepotentiel

baryo-nique himique

µ

B

(enMeV)eten ordonnéelatempérature (enMeV).

Ondistingue troisrégionsdans e diagramme :

 pour les faibles potentiels himiques et les faibles températures : la matière hadronique y est

dé rite en termes de gaz de hadrons régit par l'équation 1.1, qui dé rit les intera tions entre

quarksdelamatièrenu léairedanssonétatfondamental, 'est-à-direpourdesdensitésdel'ordre

de

ρ

0

=0.14nu léons. Lesdegrés delibertésont hadroniques

 Une zonede transitionpour laquellelamatière nu léaire subirait unetransition dephase

 la région deshautes densités ettempératures représenterait la zoneoù sesituerait lePQG. Les

degrés de liberté ysont essentiellement partoniques(quarks, gluons)

Sur ette gure sont aussi indiquéesles valeurs ara téristiques atteintes par les diérents omplexes

expérimentaux dephysique nu léaire.

2

Fig.1.1 Diagramme desphasesde lamatière nu léaire

Partantdelamatièrenu léairedisponibleenlaboratoire,onpeutre réerunPQGdedeuxfaçons:soit

en hauant lesystème (on par ourt alors lediagramme desphases selon l'axedes températures), ou

enle omprimant, 'est-à-direen augmentant lenombredenu léonspar unitédevolume demanièreà

faire hevau her entreeux. (Ce hemin orrespondà un par ours selon l'axedes potentiels himiques

surlagure 1.1).

Sur lagure1.1estaussiindiquél'étatdanslequelsetrouvaitl'univers àsespremiers instants(haute

température etfaible

µ

B

) danslesquelsons'attend aussiàtrouverunplasmade quarks etde gluons.

Les ara téristiques atteintes par les diérents omplexes expérimentaux de physique nu léaire ainis

que le heminement de la matière rée lors des expérien es de ollisions d'ions lourds y sont aussi

représentés :nousyreviendronsplus endétail dansle hapitre suivant.

Lesmodèleslesplussimplespour évaluerlatempérature etdensité ritiquesdé rivant ettetransition

de phase ([7℄,[8℄)prédisent une température ritique de transitionde phase de l'ordre de 150 MeV et

une densité d'énergie de l'ordre de

ǫ

c

=2 GeV/

f m

3

. La ompression équivalerait dans e as à e que

ladistan eentre quarksdesdiérents hadronsatteigne lerayon moyen d'unhadron

r

H

=0.8fm[8℄

3 .

1.3 Prédi tions des al uls QCD

La gure 1.2 montre des résultats de al uls de QCD sur réseaux : la densité d'énergie

ǫ

est

représentée enfon tion de latempérature, pourun potentiel himique nul[9℄.

Onobtient de [9℄:



TC

=(173

±

4) MeVpour deuxsaveurs dequarks



T

C

=(154

±

8)MeVpourtroissaveursdequarks(enséparantles ongurationstroisquarkslégers,

noté3 avour etdeux quarkslégerset unquarklourd, noté2+1 avour)

La gure1.2 montrequ'autour de latempérature ritique, ladensité roît très fortement signant une

transitiondephased'unétatordonnéà eluioùles onstituantssontlibres. Lanaturedelatransition

dépendrait dela omposition enquarks.

3

Pour un nu léon de masse atomique A et de rayon r

∼

1.2

A

1/3

fm, la densité de nu léons vaut

ρ

0

=

A

4/3πr

3

=0.14

nu léons.

f m

Fig. 1.2 Densitéd'énergie

ǫ

/

T

4

en fon tion deT/

T

c

pour trois ompositions de hadrons

Onremarqueaussique,danslestrois ongurations,lesvaleursdelatempératureetdeladensitésont

en-dessous de ellesobtenues ave un gaz de Stephan-Boltzman (gaz parfait sansintera tion); e qui

indiquequeles omposantsdel'étatnalobtenuinteragissenten oreetnesont pasentièrement libres.

Ainsi, dèsqueladensitéd'énergied'unsystèmedépasselavaleurde 1GeV/

f m

3

,onesten attentede

trouver lamatièredans e nouvel état, oùses onstituants sont dé onnés.

1.4 Collisions d'ions lourds

Les ollisionsd'ionslourdssonta tuellementleseuloutilte hnique apabledere réerenlaboratoire

le plasmade quarksetde gluons.Comme illustrésurles héma 1.1,lesrégionsde l'espa e desphases

où onpourraittrouverlePQG orrespondraitauxinstantsaprès lebig-bang.Cependant, es instants

de l'Univers ne sont pas a essibles dire tement par l'observation due à l'opa ité de l'Univers à son

Demême étudierla omposition desétoiles à neutrons où une forte densité règne reste di ile à

mettre enoeuvre [10℄.

Historique Les trois prin ipaux a élérateurs dédiés à la re her he du PQG sont, historiquement

parlant, l'AGS 4 au BNL 5 ,leSPS 6 auCERN 7 etleRHICau BNL.

LeCERNprévoitlamiseena tivitéduLHC

8

auCERNpourlandel'année2007.Hormisdiérentes

datesdemiseenfon tionnement(i iparordre hronologique),lagrandediéren erésidedansl'énergie

disponible atteinte au entre demasse dela ollision. L'AGSetleSPS sont desa élérateurs en ible

xealors queleRHICestun ollisionneur;l'énergiedisponible alors pour laréa tionestplusgrande.

Letableau 1.3résume les ara téristiques de es expérien es d'ionslourds.

A élérateur fais eau ible

E

f aisceau

(GeV)

√

S

N N

(GeV)

ǫ

attendue 9 (GeV/

f m

3

) AGS Au Au 11.6 4.9 1 SPS Pb Pb 158 17.3 2.5 RHIC Au 100 200 5

Tab.1.3 Cara téristiques desa élérateurs utiliséspourl'étude des ollisions d'ionslourds

1.5 S énario de Björken

Dans ettese tion, nousdé rirons omment sedéroule une ollision d'ionslourds dansl'hypothèse

de formationd'unPQG [11℄puisnous expli iteronsles prin ipalesnotions utilisées.

1.5.1 Déroulement d'une ollision

Fig. 1.4 Évolutionspatio-temporelled'une ollision d'ionslourds (dansle entre de masse)

4

AlternatingGradientSystem

5

BrookHavenNationallaboratory,EU

6

SuperProtonSyn hrotron

7

ommunémentappeléeOrganisationEuropéennepourlaRe her heNu léaire

8

LargeHadronCollider

La ollisionentre2noyauxlourds ultrarelativisteestreprésentéedanslediagramme espa e-temps

par le s héma1.4.

En phase initiale (t < 0), les 2 noyaux sont a élérés à des vitesses relativistes ( orrespondant aux

lignes d'univers pour lesquelles v= ), e qui a pour onséquen e de les ontra ter, dû au fa teur de

Lorentz

γ

, selon ladire tion longitudinale (axe du fais eau); ils sont souvent représentés sous forme

allongée.

Unegrandeurimportantedurant ettephaseestleparamètred'impa tb,représentésurles héma1.5:

il orrespondaure ouvrementdesnoyauxetqualielafaçondont sefontles ollisions:onparlerade

ollisions entralespourb=0etde ollisions périphériques selonlesvaleurspositivesnonnullesde b.

Fig.1.5 Centralité de la ollision

Cependant bétant unparamètrepurementthéorique,onare oursàunedes riptionplussimpliste

lorsdure ouvrementdesdeuxnoyaux;onparledenu léonsspe tateursetparti ipants. Lesnu léonsà

l'intérieurdelarégiondélimitéeparlesdeuxligneshorizontales(Fig.1.5)serontqualiésdeparti ipants

arilsvontsubiraumoinsune ollision.Lesnu léonsendehorsde ettezonesontnommésspe tateurs

ar ils neparti ipent pasà la ollision.

La distin tionentreles nu léons quisubissent aumoinsune ollision,

N

part

,etlenombrede ollisions

binaires entre 2 nu léons,

N

bin

,est souvent utilisée, ar au même titre quele paramètre d'impa t, e

sont desquantités nondire tement al ulablesmaisutilisées pour dé rirelagéométrie de la ollision.

Ilssont al ulésselonlemodèledeGlauber[12℄etqualientderégimesdursetmousla ollision:

la réationde ertaines parti ulesseraitproportionnelle àl'un oul'autre.

Le PQG est attendu pour des ollisions entrales ar elles réunissent les onditions favorables(grand

dépt d'énergie) pour saformation.

Aprèsuntempsdeformation(prééquilibre)del'ordrede

τ

=1fm/ aprèsla ollision,pendantlesquels

les gluons etles quarks auraient interagifortement, il ya formationd'un PQG sila densitéd'énergie

du systèmedépasse ladensité ritique

ǫ

c

.

Ce système vivrait pendant un temps de 5 à 6 fm/ . L'expansion spatiale du système entraîne son

refroidissement au ours du temps etle PQG setransformerait en gaz d'hadrons, en passant par une

phase mixtependant laquelleles parti ules onstituant lasurfa e du PQG s'évaporent.

Vers

τ ∼

10fm/ , ladensitéd'énergie n'estplus assezélevée pour ontinuer la réationdeparti ules;

les ollisions inélastiques essent et la omposition du système est gée (freeze out himique). Selon

[13℄, durant ette phase où les ollisions élastiques subsistent, pour les ollisions périphériques où le

paramètre d'impa t n'est pasnégligeable, l'anisotropiespatiale de e systèmedû àsaforme oblongue

se onvertirait progressivement en anisotropiedansl'espa e desphases.

la mesure où un ot observé de parti ules lourdes né essiterait de multiples intera tions au ours

desquelles une vitesse olle tive leur sont transmises.

Finalement lesystème se ge entièrement vers

τ ∼

20 fm/ où les ollisions élastiques qui pouvaient

modier lesimpulsionsdesparti ules essent àleur tour.Lesparti ulesrésultantesmigrent alors sans

au uneintera tion vers lesdéte teurs.

Le but des ollisions d'ions lourds est alors de re her her parmi l'état nal du système seulement

a essiblepar les déte teurs desindi es(signatures) de l'existen ed'unPQG.

Desobservables dites globales ara térisent les onditions dela ollision.

1.5.2 Le pouvoir d'arrêt

C'est une grandeur physique mesurable dire tement et elle quantie l'état nal de la ollision.

Il est en eet né essaire de onnaître l'énergie disponible à la réation de parti ules résultant de la

ollisioninitiale.Ladistributionnetteen rapiditénousrenseignesurl'énergiequiaétédéposéelors de

la ollision. La rapiditéyen relativitémesure la omposantelongitudinale de l'impulsion:

y =

1

2

ln

E + p

_k

E − p

k

(1.2) où

p⊥

et

p

k

sont les omposantes transverses et longitudinales de l'impulsion

−

→

_p

de la parti ule.

Expérimentalement on mesureladistribution nettebaryonique :

 dN

dy



N ette

=

dN

dy

−

d ¯

N

dy

(1.3) ave

dN

dy

,

d ¯

N

dy

sont les distributions debaryons, antibaryons par unitéde rapidité (Fig.1.6(a)).

(a)Distributionderapiditénettedesbaryons

(b)Résultatsexpérimentaux

Fig.1.6 Distribution nette debaryonsen fon tion dela rapiditénormalisée

Pour une énergie in idente faible modérée, les nu léons sont fortement ralentis, 'est-à-dire qu'ils

vontperdrerapidement leur énergie inétique. Larégion del'espa e où ette énergiepeutêtre

onver-tie en réation de parti ules sera don peut étendue (points verts de la gure 1.6(b) orrespondant

Àl'inverse,plusl'énergiedesnu léonsaugmente,plusilsaurontsusammentd'énergierésiduelleaprès

leurs ho s inélastiques initiaux et pourront alors ontinuer leur trajet. Le domaine de rapidité

en-trale estdon libre pour la réation de nouvellesparti ules. La distributionnette en parti ules prend

la forme d'un M, traduisant le fait que l'on retrouve des fragments du fais eau à rapidité élevée. Ce

omportement est légèrement identié au SPS et apparaît de façon plus nette au RHIC (représenté

par les symboles rouges sur la gure 1.6(b)). Sur la gure 1.6(b) sont aussi indiquées les rapidités

maximales possibles orrespondantes à elles desfais eaux

10 .

Densité d'énergie De même que le pouvoir d'arrêt, la densité d'énergie obtenue au ours de la

ollision estimportanteàestimer poursavoirsiles onditions né essairesàla réationd'unPQG sont

atteintes. Ladensité d'énergie

ǫ

peutêtreévaluée selon des ritères géométriques[11℄par :

ǫ(τ ) =

1

Aτ

dE

T

dy

(1.4) ave 

τ

:letemps deformation du PQG

 A :la surfa e équivalent aure ouvrement desdeux nu léons;pour un paramètre d'impa t b =

0,A =

πR

2

où R=1.2

A

1/3

fm 

dE

T

dy

:énergietransverse par unitéde rapidité

Il est à noter, omme ité dans le paragraphe suivant, que la valeur de

τ

=1fm/ est habituellement

admise dans les al uls. Elle orrespond à la valeur prise par Björken dans son arti le original et

indiquerait letemps pour lequelles onditions initiales del'évolution hydrodynamiquesont établies.

Ladensitéd'énergieaétéévaluéeparla ollaboration PHOBOS[14℄àpartirdel'estimationdunombre

de parti ulespar unité de rapidité(représentésurlagure1.7).

Fig. 1.7 Densité de parti ules hargées par unité de pseudo-rapidité mesurée à PHOBOS pour des

ollisions Au+Au à

√

s

=200GeV

Une densité de parti ule

dN

dη

= 625 parti ules est mesurée pour les ollisions Au+Au à

√

_s

N N

=200GeV.Le maximumde ladensitéde parti ules hargées dé roîtave l'énergiede la ollisionetest

moins étalé en pseudo-rapidité pour des ollisions ayant lieu ave une énergie de fais eauplus faible.

Enremplaçant

dE

T

par

dN × mT

,ladensitéd'énergieapuêtreestiméeà

ǫ ∼

5GeV/

f m

3

, equireste

supérieure auxprédi tionsde QCD.

10

AuRHICpourunnu léonde1GeV,

E

T ot

=

E

F aisceau

+

E

M

.

γ

=

E

T ot

E

M

1.6 Les signatures du plasma de quarks et de gluons

1.6.1 Signatures éle tromagnétiques

Lesphotonsthermiques,deparleurnature,n'interagissentpasave lePQGdemanièreforteetleur

mesure onstitue alorsunesignatureduPQGetdesondegrédethermalisation. Eneetilspourraient

servir de  thermomètre de la ollision ar ils auront gardétoute l'information dela température à

laquelleils auraient étéémis(dans l'hypothèse que lePQG se omporte omme un orps noir).

Lesprin ipales sour esde produ tionde photons sont:

 ladiusionsur desquarks

 l'annihilationd'unquarketd'unanti-quark

C'est unegrandeur di ile àmesurer arlebruitde fondprovenant de ladé roissan edesmésons

π

0

et

η

est important.

(a)Sour esdephotonsreprésentéesenfon tiondeleur

impulsiontransverseettempsde réation

(b) Produ tion de photons mesuréedans WA98 pour

des ollisions périphériques(haut)et entrales(bas)

Fig. 1.8 Produ tion dephotons dansles ollisionsd'ions lourds

Lesdiérentes sour es dephotons que l'on peutmesurer lors de ollisions sont représentées surle

s héma1.8(a);enretran hant duspe tre desphotonsdire tsla ontributiondesphotonsémislorsdes

pro essus durs (premiers instants de la ollision) à elle des photons dire ts dans des ollisions p+p

(référen e),on a alors a èsauxphotons provenant d'unmilieu thermalisé.

La ollaborationWA98arapportélamesuredephotonsdansdes ollisionsPb+Pbà158GeV/nu léons

[15℄.Surlesgraphiquespré édents(Fig.1.8(b)),unex èsdephotonsmesuréssurlebruitdefonddans

1.6.2 Suppression des quarkonia

Aumilieudesannées80,MatsuietSatzproposèrentuneautresignatureleptoniquedelaformation

d'unPQG. Deparlamasseélevée desquarks etb,l'étatlié

q ¯

q

11

doitexisterlors destous premiers

instants de la ollision, là où l'énergie pour sa réation est susante. Matsui et Satz émirent alors

l'hypothèse de la suppression du J/

ψ

( orrespondant à l'état lié

c¯

c

de plus basse énergie, les deux

autres étant appelés

ψ

′

et

χ

)dû àl'é rantage de ouleur.En présen ed'unmilieu denseetdé onné,

le potentielliant deuxquarks (dé ritpar l'équation 1.1) est modiéen :

V (r) =

α

r

× e

−r

rD(T )

(1.5)

qui est une onséquen e de l'é rantage dela hargede ouleur par les autres harges du milieu.

L'é rantage de ouleur est l'équivalent de l'é rantage des harges éle triques en éle tromagnétisme :

dansunmilieuvidede harge,l'éle tronestliéauprotondansl'atomed'hydrogèneàtraversle hamp

éle trique de e dernier: l'éle tron, dé rit selon lamé anique lassique,orbite alors à une distan e r.

La présen ed'autres harges éle triques entre euxva diminuer le hamp

−

→

_E

vu par l'éle tron et ainsi

augmenterladistan e r arils sont moinsliés.Dès quel'é rantage devientde l'ordredu rayonorbital

r de l'éle tron, l'éle tron perdalors l'identité du protonauquel il appartient etdevient libre.

Le rayon d'é rantage de Debye

r

D

dépend de latempérature de façon dé roissante [16℄. L'é rantage

diminuerait la formation des paires

c¯

c

: les quarks ,

c

¯

se re ombineraient ave les autres quarks

environnants pour former desétats

cu

¯

,

c¯

u

,

¯

cd

,

c ¯

d

,

cs

¯

et

c¯

s

.

Suppression anormale du

J/ψ

en

fon tion de la densité atteinte lors

de la ollision : le taux de

J/ψ

est

normaliséà eluiattenduenprenant

en omptelesphénomènes

d'absorp-tionnu léaire,mesurépar NA50

Fig. 1.9 Suppressiondu J/

ψ

mesurée par NA50

La ollaboration NA50 au SPS a mesuré lors de ollisions Pb+Pb à

√

s

= 17.3 GeV le taux de

produ tion du J/

ψ

normalisé à la produ tion attendue en prenant en ompte les pro essus usuels

11

d'absorption nu léaire en fon tion de la densitéd'énergie (Fig. 1.9). Une suppression anormale est

observée pour une densité d'énergie

ǫ∼

2.2 GeV/

f m

3

, signiant qu'un nouveau pro essus physique

apparaît à detelles densités d'énergie[17℄.

Plus ré emment, la ollaboration PHENIXa mesuréle taux de J/

ψ

dansdes ollisions Au+Au à

√

s

=200 GeV[18℄.

AA

R

0.2

0.4

0.6

0.8

1

12 %

±

=

global

|y|<0.35 syst

7 %

±

=

global

[1.2,2.2] syst

∈

|y|

part

N

50

100

150

200

250

300

350

400

mid

AA

/R

forward

AA

R

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

₌

±

_{14 %}

global

syst

Le

R

AA

, déni par

R

AA

=

d

2

_N

AA

J/ψ

/dp

T

dy

N

coll

d

2

N

J/ψ

pp

/dp

T

dy

pour 2

lassesderapiditémontrelemême omportement,

'est-à-dire une dé roissan e en fon tion en fon tion du

nombrede parti ipants

N

part

.

Fig. 1.10  Fa teur de modi ation nu léaire

R

AA

du J/

ψ

en fon tion de

N

part

pour des ollisions

Au+Au

Le

RAA

traduitlaprodu tiondu

J/ψ

dansles ollisions d'ionslourds omparéeà ellemesurée en

p+p. Pour les ollisions les plus entrales etles domaines en rapidité |y|< 0.35(resp. |y|

∈

[1.2;2.2℄),

le

R

AA

est en-dessous de 0.2 (resp. 0.3); ette diéren e serait due à des eets nu léaires froids qui

modient les fon tionsde distributions despartons [19℄.

Même si à l'heure a tuelle il n'est pas possible de statuer entre les diérents modèles dé rivant la

suppressiondu

J/ψ

mesuréeàPHENIX,tousreposent surl'existen eduPQG,outoutdumoinsd'un

milieu susamment denseet haud.

1.6.3 Mésons ve teurs de faible masse, résonan es

LatransitiondephaseversunPQG s'a ompagnant d'unerestaurationdelasymétrie hirale, une

diminution de la massedes quarks estalors attendue pour les quarks les pluslégers selon des al uls

de QCD(voir Fig.1.11).

Enbleu la ontribution àlamassedes quarksdûà

la brisure de la symétrie éle trofaible, en jaune la

ontribution provenant de la brisure spontanée de

Celadevraitsetraduirealorsparuneaugmentation delalargeurdesmésonslespluslégers(mésons

ρ

,

ω

et

φ

12

). les taux de di-leptons

e

+

_e

−

mesurés par NA45 dans des ollisions S+Au et Pb+Au

montrent un ex ès de produ tion de di-leptons par rapport aux produ tions attendues (dé roissan e

des

ρ

,

ω

en

e

+

_e

−

)dansdes ollisionsd'ionslourds.Ceteetestplusa entuédanslessystèmeslourds

(Pb-Au) que danslessystèmes pluslégers.

Fig. 1.12 Degau he à droite, lespe trede di-leptons en ollisions p-Be,p-AuetPb-Au

1.6.4 Augmentation de l'étrangeté

RafelskietMüller[21℄proposèrent plusieursexpli ationspour une réationfavoriséedel'étrangeté

dans unmilieu dense.

(a)gg

→

ss

(b)q

q→

¯

s

s

¯

Fig. 1.13Mé anismesde produ tion de l'étrangeté

Dansun milieu denseetdé onné, laformation departi ules étrangesestfavoriséeà ause:

 les seuils de produ tion des réa tions aboutissant à des saveurs étranges sont plus faibles que

eux dansun gaz dehadrons. La réation desaveursétranges dansungaz de hadrons né essite

desréa tions en as ade,du type:

π

+N

→

K+

Λ

π

+

Λ → Ξ

+K,

(i ipour réerun baryondoublement étrange, le

Ξ

)

12

Les masses du

ρ

etde l'

ω

étant respe tivement de

m

ρ

=775.8

±

0.5 MeV et

m

ω

=782.59

±

0.11 MeV; elle du

φ

est

 lestaux de produ tion arriveplus rapidement à saturation

Les prin ipaux mé anismes de produ tion de l'étrangeté (paire de quarks s

s

¯

) dans un plasma (à

l'ordre leplusbasde QCD)sont représentéssurles 2 s hémas 1.13.

Dû à la restauration partielle de la symétrie hirale qui abaisse la masse desquarks légers (u,det s)

[22℄, leseuilde produ tion du pro essusd'annihilation q

q

¯

seraitplus faible dans unmilieu dé onné.

La forte densité en gluons favoriserait aussi les pro essus du type fusion gluonique dont la se tion

e a e a étéévaluéeà

σ

gg

= 0.6mb [21℄.

L'expérien eNA57auCERNamesurélestauxdeprodu tionsdesparti ulessimplement(

Λ

),

double-ment (

Ξ

) ettriplement étranges(

Ω

) selon diérents types de ollisions [23℄etplus ré emment STAR

dontestprise lagure1.14(a)[24℄:Una roissement dutauxdeparti ulesenfon tion dunombrede

(a)Tauxdesparti ules étrangesmesurésparNA57et

STARenfon tiondunombredeparti ipants

Les valeurs de SPS (symboles ouverts) ont

été mesurées lors des ollisions p+Pb à

√

_s

N N

=17.3 GeV; elle de STAR (symbole

plein) lors de ollisions Au+Au à

√

_s

N N

=200

GeV.LesvaleursdeSPSsont normalisées par

des ollisions p+Be alors que elles de RHIC

par des ollisions p+p.

Fig.1.14 Augmentation de l'étrangetémesurée auSPS et auRHIC

parti ipants (etleurs antiparti ules asso iées)a étéobservé.L'a roissement estd'autant plus

impor-tant quele ontenu en quarksétrangesest élevé.

Le même omportement est observé auRHIC, mais lestaux n'augmentent pasen onséquen e même

si l'énergie s'a roît. En eet dans le formalisme statistique grand anonique, une suppression plus

importanteest attenduepour lesfaibles énergies[25℄.

1.6.5 Suppression des parti ules de hautes impulsions transverses

Lors destous premiers instants après la ollision, des pro essus durs réent despartons de haute

impulsiontransverse.Entraversantlemilieu,ilspeuventperdreunepartiedeleurénergieparradiation

de gluons.Une façon d'observer et eet estde mesurer lefa teur de modi ationnu léaire

R

AA

(p

T

)

dénipar :

R

AA

(p

T

) = dN

AA

/T

AA

× dσ

pp

(1.6)

où

dN

AA

est le spe tre de produ tion obtenu lors des ollisions A-A,

T

AA

traduit lagéométrie de la

ollision etd

σ

pp

lase tione a e diérentielle deprodu tion deshadrons lorsdes ollisionsp+p.

L'analogue pour des ollisions asymétriques estle

R

AB

(p

T

)

.

Une suppressiondu

RAA

signieraitau ontraireune diminution deprodu tionde parti ulesàhautes

impulsionstransverses(don rééesaudébutdela ollision)quipourraitêtreexpliquéeparlaformation

d'un milieudense. Les parti ulesforméesperdraient alors plusd'énergie ave emilieu ambiant.

Cette suppressionattendue aété observée àRHIC(Fig. 1.15).

Fa teurdemodi ationnu léaire

R

AA

deshadrons

hargés pour des ollisions d+AuetAu+Au

mesu-rés par STAR [26℄ : la suppression des parti ules

de hautes impulsions transverses est moins

mar-quéepourles ollisionsd+Auquepourles ollisions

Au+Au. Les hadrons de hautes impulsions

trans-versesproduits lors de ollisions Au+Au sont

sup-primésd'un fa teur

∼

5 par rapport aux ollisions

d+Au.Ce iestinterprété ommeuneéviden edes

intera tions des partons dans l'état nal ave un

milieu dense rée lors des ollisions Au+Au et qui

n'apparaîtpaspour des ollisions d+Au.

Fig. 1.15 Fa teur de modi ationnu léaire

R

AB

1.6.6 Charme ouvert

La produ tion de harme ouvert onstitue un moyen dire t de tester la matière réée lors des

tous premiers instants après la ollision. Du fait des valeursde masses élevées des quarks b et , les

saveurs lourdes onstituent unmoyen utiledemettreenéviden elamatière réelorsdestouspremiers

instantsdela ollision[27℄.Deplus,lesintéra tions desquarks ave lespartonsdumilieupourraient

modiées leurs propriétés de ot.Cet eet,visibledans laformedesspe tresen impulsiontransverse

pT

,augmenterait lavaleur

v2

duot desparti ules harmées dansl'état nal.

Notion de ot elliptique : le oe ient

v

2

La notionde ot estune propriété observée lors des

ollisionsd'ionslourdsetrésultedel'existen ed'ungradientdepressiondansladire tionduparamètre

d'impa t entre2 noyauxpour des ollisionspériphériques.

L'anisotropie azimutale dans l'espa e des phases du système est dé rite par un développement de

Fourier :

d

3

_N

dp

T

dydφ

=

1

2π

d

2

_N

dp

T

dy

(1 +

∞

X

n=0

2vn(pT

_{)cos[n(φ − Ψ}

R)])

(1.7) ave

φ

=

arctan(

p

y

p

x

)

et

Ψ

R

le plan de réa tion, orrespondant au plan formé par l'axe du fais eau

(selon ZsurFig.1.16) etleparamètre d'impa t

−

→

_b

.

Lese ond oe ient de e développement,

v

2

estappeléleotelliptique.Des valeursélevéesde

v

2

pour untypede parti ulesindiqueraient que esparti ulesparti iperaient au mouvement olle tif.La

matière réeserait alors en intera tion ave lemilieu etle

v

2

renseignerait alors sur lathermalisation

du système.

Finalement, les quarks b et sont supposés perdre moins d'énergie omparé aux quarks légers dû à

Fig. 1.16 Asymétriede ladistribution de matièrepour des ollisions àparamètre d'impa t non nul

Le fa teur de modi ationnu léaire des éle trons provenant dire tement de ladé roissan e semi

lep-toniquedes mésonsBetD aétémesuré parSTAR[29℄(voirFig.1.17).

Fig. 1.17 Fa teur demodi ationnu léairedes éle tronspour des ollisions d+AuetAu+Au à

√

s

=200 GeV

Les données pour les ollisions d+Au et Au+Au sont omparées à des modèles de perte

d'éner-gie des quarks ([30℄, [31℄). Une suppression plus importante a été observée par rapport aux modèles

suggérant d'autrespro essus deperted'énergie. Undesmoyenssuggéréspour réduireles in ertitudes

théoriques et de omprendre e dé it de produ tion par rapport aux modèles théoriques serait de

mesurer séparément laprodu tion desmésonsBetD [31℄.

Les parti ules harmées dé roissent selon 2 modes : hadroniques (par dé roissan e en hadrons) et

Fig.1.18 Modede désintégration d'unepaire

¯

c

Lesdiérents anauxhadroniques sont résumés dansletableau 1.4:

Masse(GeV) Constituants

τ

(

µ

m) Canal hadronique Rapport d'embran hement (%)

D

±

1869.3

¯

d ¯

c

d 311.8

K

−

_π

+

_π

−

9.51

D

0

,

¯

D

0

1864.5

u ¯

¯

c

u 122.9

K

−

π

+

8.8

Tab. 1.4  Cara téristiques des prin ipales parti ules harmées re her hées par dé roissan e

topolo-gique dire te [1℄

STAR a mesuré la produ tion de harme ouvert provenant de dé roissan e hadronique dire t à

partirdes ollisions d+Auà

√

_s

=200GeV[32℄.Cependant ettemesuren'utilisaitpasl'identi ation

des parti ules harméesvia l'identi ation devertexse ondaires.

La ollaboration STAR a don mis en oeuvre un programme de alibration et d'alignement de es

déte teurs de vertexa tuels an d'explorer la possibilité de mesurer la produ tion de harme ouvert

Des ritères surlalongueur de

dé rois-san edu

D

0

,ladistan eetl'angle

d'ou-verture entre le

K

+

et

π

−

sont autant

de oupuresàappliquer anderéduire

lebruit defond ombinatoire.

Fig. 1.19 Dé roissan ehadronique du

D

0

_→K

+

_π

−

Par exemple,le

D

0

de désintègre en2 parti ules hargées (Fig. 1.19).Connaitre lalo alisation du

vertexprimaire ave pré ision,ande leséparerduvertexse ondaire, estessentiel ar elapermettra

de réduirelebruit defond ombinatoire lors delare onstru tion de lamasseinvariante du

D

0

.Cette

mesureestnéanmoinsnon-trivialeà ausedelafaible longueurdedé roissan edu

D

0

(voir Tab.1.4);

une pré ision del'ordre de lalongueur dedé roissan e estdon requise.

Con lusions Même sila mesuredes diérentes observables ne peuvent passigner de manière

até-gorique laformation d'une phasede plasma de quarks etde gluons, l'existen ed'un milieu dense qui

serait rée lorsdespremiers instantsdes ollisions d'ionslourds reste néanmoinsobservé à travers

no-tamment lasuppression desparti ulesde hautes impulsions transverses. Cettematière serait soumise

à defortes intéra tions etatteindrait l'équilibrethermique dansun temps relativement ourt(1fm).

An dequantier etétat, lamesuredesparti ules harméesapparaît aujourd'hui ommeune preuve