1 Isolation des photons de grande impulsion transverse dans les collisions proton+proton à THESE DE...

1

Isolation des photons de grande impulsion transverse dans les collisions proton+proton à

THESE DE DOCTORAT :

Ahmed HADJ HENNI hadjheni@subatech.in2p3.fr

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 !

18

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.

19

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.

29

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