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1
Isolation des photons de grande impulsion transverse dans les collisions proton+proton à
THESE DE DOCTORAT :
Ahmed HADJ HENNI [email protected]
GeVs 200
2
Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal.
Méthode d ’extraction des photons directs (SICA).
Analyse des données. Détermination des photons directs.
Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA.
Discussion sur les résultats et Conclusion.
3
La QCD prédit un changement de phase de la matière nucléaire dans conditions particulières de température et de densité baryonique (T, B).
Lorsque r 0 alors s 0 Liberté Asymptotique.
Etat déconfiné de la matière Plasma de quarks et de Gluons (PQG)
Tc ~ 170 MeV
c ~ 0.7 GeV/fm3
Le diagramme des phases et le Plasma de quarks et de gluons.
Etat “normal” de la matière quarks confinés à l’intérieur des nucléons
4
Le RHIC est capable de créer les conditions nécessaires à la création d’un nouvel état de la matière:
cfmavecdydE
cRT /13.01
00
2
cc TMeVTetfmGeV 350250/155 3
initial state
pre-equilibrium
QGP andhydrodynamic expansion
hadronization
hadronic phaseand freeze-out2
fm/c7 fm/c
Observables Globales : centralité de la collision,Energie transverse…
Observables de l’ état final : taux de particules, distribution en pT…
Observables de l’ état initial : photons directs, di-leptons…
0 fm/c
Scénario d’une collision.
Dans les collisions Au-Au centrales à 200 GeV :
5
pT (
GeV
/c)
1,0
4,0
1 10 100 107
t
(fm/c
)
Processus durs (jets)
Gaz de partons (QGP)
Gaz hadronique
0, , etc...
Photons thermiques
directs
décroissances
Processus partoniques durs :Rayonnement thermique du QGPà bas pt ( non encore observé ).
Essentiellement issus des mésons
Les photons comme sonde du Plasma.
Annihilation + Compton
6
Bonne référence ( pQCD ) pour les collisions Au+Au.
Direct(Au+Au)mesuré – Direct(p+p)mesuré = photons thermiques
Test pour les prédictions théoriques pQCD.
Milieu propice à un premier test de la nouvelle méthode SICA.
Les Photons interagissent faiblement avec le plasma ( ils ne sont pas sensibles à l’interaction forte ) et gardent intacte l’informationsur les premiers instants de la collision.
Les photons directs à haut pt (photons prompts) sont plus simplesà différentier du fond ( essentiellement ).
Le QGP pourrait être detecté via la radiation des photons thermiques + info sur la température initiale.
Pourquoi les photons ?
Collisions p+p:
0
Photons Directs:
– Definition: Photons qui ne proviennent pas de la décroissance d’un hadron.
– Fond important : 0
7
Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal.
Méthode d ’extraction des photons directs (SICA).
Analyse des données. Détermination des photons directs.
Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA.
Discussion sur les résultats et Conclusion.
8
Run I (2000) Au-Au 130 GeV ~ 24 b-1
RunII (2001-02) p-p 200 GeV ~ 0.15 pb-1 RunIII (2002-03) d-Au 200 GeV ~ 2.7 nb-1
p-p 200 GeV ~ 0.35 pb-1
RunIV (2003-04) Au-Au 200 GeV ~ 120 b-1
Au-Au 62.4 GeVRunV (2004-05) Cu-Cu 200 GeV & 62.4GeVRunVI (2005-06) p-p 200 GeV & 62.4GeV (polarisées)
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
• BNL ( New-York )• 3.83 km de circonférence• 4 pts d ’intéractions: STAR BRAHMS PHOBOS PHENIX
Campagnes de prises de données @RHIC
9
Deux bras centraux pour la mesure des hadrons, photons et électrons
Deux bras avants pour la mesure des muons
Détecteurs de caractérisation des collisions (centralité, Zvertex).
PHENIX: Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment
2 types de déclenchements utilisés :
BBC Acquisition des événements de biais minimum (MB) 50 % d’efficacité de détection.
ERT pour EMCal RICH Level1 Trigger pour les événements rares à haut pt:EMCal + RICH électrons EMCal Photons ERT_Gamma3BBCLL1 (G3) seuil > 1.5 GeV
)2;0.41.3~( y
10
Scintillateurs à Plomb (PbSc)
- 15552 tours individuelles
Verre au plomb (PbGl)- 9216 tours individuelles
Une segmentation fine du calorimetre :
Permet de distinguer 2 photons d’un 0 jusqu’à pT~25GeV/c
EMCal: ElectroMagnetic Calorimeter Acceptance : || < 0.375 ; = 90º x 2
24768 tours
5m
%1.2%1.8
EE
E
%0.3%5.5 EE
E
11
Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal.
Méthode d ’extraction des photons directs (SICA).
Analyse des données. Détermination des photons directs.
Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA.
Discussion sur les résultats et Conclusion.
12
( , )m E 0 0
0
, E2
12
cone
, E1
c
c nm 251.
m c 0 135 2. GeV /
Spectroscopic Isolation Cut Analysis (SICA)
Le taux de branchement de la décroissance EM du = 98.8% + forte multiplicité.
On ne prend en compte quela décroissance du pion neutre !!!
1. Dès qu ’on détecte un photon, on définit un cône autour avec une ouvertureen angle 2. On impose que l’intersection du cône avec le détecteur soit contenue àl’intérieur de ce dernier. Si c’est le cas « photon candidat »3. On cherche un partenaire à l’intérieur de ce cône + vérification que la masseinvariante est proche de la masse du ( 100-160 ).
• Si c’est le cas photons issus d ’une décroissance EM du .• Sinon « photon isolé »
cone
2/ cMeV 0
0
0
13
)cos1(2
0
0
CM
mE
Dans le référentiel du laboratoire:
facteur d’asymétrie en énergie:
CMCMEEEE
coscos0
angle relatif entre les deux photons:
0Cinématique de décroissance du :
)1(
1)1(cos 22
22
120
0
14
1. Restriction du domaine du facteur d’asymétrie due à l ’acceptance limitée d ’EMCal introduction de
2. Estimation de l’énergie du :
3. Energie seuil d’analyse (0.50 GeV):0
21
EEthup
GeVEpourup 0.109.0 0
max
EEEEEE
max12
12
00
)1(
1)1(cos 2max2
2max2
0
0
cone
9.0;6.0max
Conditions réelles :
Compromis entre une bonne statistique Ncand et une bonne probabilité de former une paire
Estimation de l’ouverture du cône
0
15
Calcul de l ’excès total de photons directs [1]:
L’excès total peut s’exprimer comme :fond
dirtot
NN
Or : fonddirincl NNN
Le spectre du taux de production de photons directs s’obtient alors à partir du spectre de photons inclusifs par :
incltot
totdir NN
1
Spectre de photons inclusifs (analyse des données)
L’excès total calculé en utilisant SICA
Spectre de pions neutres (analyse des données) pour la simulation
Il nous faut :
16
Calcul de l ’excès total de photons directs [2]:
RN
No
o
o
i
c
,
,
RN
Ni
c
,
,
Ce qui donne pour les données :
Finalement : Approximé en :simulation
les données.
0
0
,
,
c
c
NN
RR
NN
NRN
NN
NNR
cc
ci
cc
ii
00
0000
000
0
0
11
,,
,,
,,
,,exp
exp
exp
1
0
0
R
RR
exp
exp 0
0
RR
RR
On définit alors le rapport:
c
i
candidats
isoles
NN
NNR
exp,
exp,exp
c
i
NN
R
L’excès de photons directs comparé aux photons de décroissance du pion s’écrit :
simulation
données
Fausses recombinaisons
17
Calcul de l ’excès total de photons directs [2]:
L’excès total s’écrit alors :
tot
exp
exp
1
0
R
RR
0
00 .
.
,
,
BR
BRNN
c
c 0,
,
c
PIDc
NN
Fraction de photons issue de la décroissance de hadrons comparéeà celle issue du pion neutre.
Contamination en particules chargées,par rapport au pion neutre, du spectrede photons directs.
Excès de photons directs par rapport à ceux du 0
0 PID- -
Il faut tenir compte des autres contributions !
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Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal.
Méthode d ’extraction des photons directs (SICA).
Analyse des données. Détermination des photons directs.
Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA.
Discussion sur les résultats et Conclusion.
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Etude uniquement sur les 6 secteurs PbSc
Sélection des données Run3 p+p à 200 GeV.
Sélection sur le pic de masse invariante et sur sa largeur :
Evolution de la position moyenne du pic masse invariante en fonction du numéro de campagne.
Numéro de campagne
)/( 2cGeVm
20
Coupures de sélection des photons
Fig3: Spectre de photons dans les différents cas de coupuresFig4: Taux de photons restant après les différentes coupures
Uniquement la coupure chi2 pour la suite...
chi2 < 3.0 tof < 1.5 ns
pid > 12.0 cm
3 coupures différentes disponibles: temps de vol chi2 particules chargées
21
Mesure de la production de photons inclusifs .
ypN
caXX
dydpNd
T
incl
convtrig
chnn
T
incl
)1()1()1(2
Spectres bruts renormalisés MB et G3
Pt transition 3.5 GeV/c
22
• distribution plate en pt 0 < pt < 20 GeV/c pondérée par f(pt)• distribution plate |zvert| < 30 cm• -0.45 < y < 0.45
nT
TmTTT
pBpT
ppApTpf ))(1(
)/1()()(
0
wtpT
TpT
exp11)(
Acceptance et Efficacité:
ypN
caXX
dydpNd
T
incl
convtrig
chnn
T
incl
)1()1()1(2
~ 0.27
23
Xch : contamination en particules chargéesvaleur constante de 14% pour pt > 3 GeV/c ( cf Ch. Klein-Bösing – Ph.D. thesis ).
Xnn : contamination en Neutrons/AntiNeutrons (paramétrisation H. Torii)
ic
XXconv 0
97exp1 ~ 8%
Contaminations…
ypN
caXX
dydpNd
T
incl
convtrig
chnn
T
incl
)1()1()1(2
cconv : photons perdus par conversion avant PbSc.
10 % à 1 GeV/c et 1% à 3 GeV/c.
24
Section efficace invariante de production de photons inclusifs.
Section efficace invariante de production des photons inclusifs dans les collisions p+p à 200 GeV pour les secteurs PbSc.
25
Mesure de la production de pions neutres.
yp
N
fcadydp
Nd
TrecotrigT
00 112
2
Spectres bruts renormalisés MB et G3
Efficacite trigger ERT_Gamma3
Efftrig ~ 0.9804
Pt transition 3.5 GeV/c
Pt (GeV/c)
26
Efficacite de reconstruction et acceptance.
Tenir compte de l’effet de recouvrement à haut pt.
yp
N
fcadydp
Nd
TrecotrigT
00 112
2
~ 0.17
Pt (GeV/c)
Pt (GeV/c)
areco
27
biais de déclenchement BBC.
0.765 +- 2.124e-03
pt GeV
yp
N
fcadydp
Nd
TrecotrigT
00 112
2
032.0987.02 c
28
Section efficace invariante de production des pions neutres dans les collisions p+p à 200 GeV pour les secteurs PbSc.
Section efficace invariante de production de pions neutres.
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Contexte Physique. Présentation de RHIC, PHENIX et EMCal.
Méthode d ’extraction des photons directs (SICA).
Analyse des données. Détermination des photons directs.
Présentation d’autres méthodes et comparaison avec SICA.
Discussion sur les résultats et Conclusion.
30
Détermination des photons directs
0totRappel :
Première étape détermination de :exp
exp
1
0
0R
RR
Avec : 0
0
0
,
,
c
i
N
NR Et :
exp,
exp,exp
c
i
NN
R
simulation données
Deuxième étape détermination de : 0
00 .
.
,
,
BR
BRNN
c
c
simulation
31
Spectres (U.A) des photons candidats (carrés) et des photons isolés (croix)pour différentes coupures en asymétrie avec en entrée du code de simulationFMC un ajustement du spectre de pions neutres mesuré.
Calcul de et (simulation)
0,cN 0,iN
32
Rapport des spectres photons isolés sur photons candidats pour différentescoupures en asymétrie, estimé par une simulation Monte Carlo.
0RCalcul de
33
Spectres des photons candidats (carrés) et des photons isolés (croix) pour différentes coupures en asymétrie pour les données CampagneIII p+p à 200 GeV
Calcul de et (données)
exp,cN exp,iN
34
Calcul de expR
Rapport des spectres photons isolés sur photons candidats pour différentescoupures en asymétrie pour les données CampagneIII p+p à 200 GeV.
35
Calcul de exp
exp
1
0
0R
RR
Excès de photons directs pour différentes coupures en asymétrie.0
36
Calcul de 0
00 .
.
,
,
BR
BRNN
c
c
Fraction de photons provenant d’une décroissance de méson par rapportà ceux provenant de la désintégration de pions neutres, pour différentes coupuresen asymétrie.
~ 0.19
37
Calcul de 0tot
Excès total de photons directs calculé pour différentes coupures en asymétrie.
38
Estimation de
4
1
_1
itotitot
iw
w
Estimation de l’excès total moyen en fonction de l’impulsion transverseet entre [4; 8] GeV/c. Les zones grisées correspondent aux erreurs systématiques.
2)(1
itot
iw
iww
Err. Syst. Valeurs min. et max. de l’excès.
39
Calcul de la fraction de photons directs
tot
tot
_
_
1
Calcul de la fraction de photons directs moyen entre [4; 8] GeV/c. Les zonesgrisées correspondent aux erreurs systématiques.
incl
tot
totdir NN
1
40
Présentation d’autres Méthodes PHENIX *:
Méthode par étiquetage du pion neutre ( tagging method).
Méthode par soustraction(Cocktail soustraction method)0
Sélection d’un échantillon de photonscandidats dans une zone fiduciaire préétablie.
Chercher dans l’ensemble du détecteurun photons partenaire.
Vérification en masse invariante
fondincldir NNN
Spectre de photons de décroissance tirédu spectre mesuré par PHENIX.0
Utilisation du mT scaling pour estimer les autres contributions hadroniques.
Introduction d’un double rapport :
sim
donnees
R)/(
)/(0
0
incldir NRN )1( 1
* Phys. Rev. Lett. 98, 012002 (2007)
41
Section efficace invariante de production des photons directs dans les collisions p+p à 200 GeV calculée par la méthode SICA comparée au résultat d’analyses Déjà publiées. Les rectangles grisés correspondent aux erreurs systématiques.
SICA Phys. Rev. Lett. 98, 012002 (2007)
42
Discussion et Conclusion.
Le résultat SICA semble supérieur aux autres analyses PHENIX.
1. Un excès SICA trop important tenir compte de la contribution en particules chargées de l’ordre de 14% dans la cas des photons inclusifs.
PID
Comparaison entre l’excès trouvé par SICA et celui de la méthode par Soustraction.
incltot
totdir NN
1
Pour pt entre 5-5.5 GeV/c :
etiquetageonsoustracti 023.008.0
07.002.009.036.0
tot
2. Impossibilité de comparer le spectre de photons inclusifs de l’analyse avec un résultat PHENIX déjà publié.
3. Difficulté de mettre en oeuvre de façon complète un nouvel algorithme.
43
Discussion (suite) :
44
Conclusion :
La méthode SICA présentait l’avantage d’être un mélange des deux méthodes précedemment citées.
Un écart important de la section efficace de production de photonsdirects avec les autres analyses Plusieurs pistes ont été avancées.
Une section efficace de production de pions neutres pour la CampagneIII proton+proton à 200 GeV a été fournie.
Une section efficace de production de photons inclusifs pour la CampagneIII proton+proton à 200 GeV qui n’a pu être comparéeà des résultats PHENIX.
45
46
Excès donnés par hep-ex/0609031
Excès donnés par SICA : 1Rtot
47
Fragmentation
Coupure sur la forme de gerbe pour la sélection d’un photon