Le charme dans l’ expérience Compressed Baryonic Matter

C.DritsaIPHC Strasbourg / GSI Darmstadt

Directeurs de thèse: RAMI Fouad (IPHC) / SENGER Peter (GSI)

•Plan• Motivations• Défit de CBM• Stratégie• Résultats• Résumé et Conclusions

Motivations Physiques

Objectifs de l’expérience CBM

Transition de phase QGPPropriétés de l’interaction forte.

Propriétés des hadrons dans la matière à haute ρB Restauration de la symétrie chirale.

Deux objectifs principaux

Expérience planifiée auprès du futur accélérateur FAIR ( GSI-Darmstadt ), cible fixe

Domaine d´énergie de FAIR pour les IL : 2-40 AGeV. Démarrage ~2015

Exploration du diagramme de phases QCD dans la région des hautes ρB –température modérée

CBM = Compressed Baryonic Matter

FAIR

Particules contenant un quark charmé (lourd)

Produit dans les premiers instants de la collision

Taux de production très sensible aux effets de haute densité surtout aux énergies du seuil de production

Sonde pour étudier les modifications des propriétés des hadrons dans un milieu dense.

Une des observables pour CBM

Une des observables les plus intéressantes dans CBM est le charme ouvert

Prédiction d’un modèle de transport

FAIR

SIS 18

GSI

présent

Mul

tiplic

ité p

ar c

ollis

ion

Energie du faisceau [AGeV]

Seuil de production du charme ~ 1 D0-> π+K- par 220.000 coll.centr.

Défit de CBM pour la mesure du charme

Il est nécessaire de construire un détecteur capable de répondre aux exigences

Prédiction d’un modèle de transport

FAIR

SIS 18

GSI

présent

Mul

tiplic

ité p

ar c

ollis

ion

Energie du faisceau [AGeV]

Très difficile à mesurer dans les collisions A-A, en particulier aux énergies FAIR car on est au seuil de production.

Reconstruire un signal rare dans un environnement de haut b.f.c !

Haute multiplicité des part. chargées ~ 1000 par collision centrale

La Manip

Trajectomètre : STS dans un champ magnétique. Plans de pixels et strips. Reconstruction de trajectoires de particules

Trajectomètre STS composé de :

~10 plans des détecteurs en Silicium

Plans 1 – 2 : Détecteur de pixels (Détecteur de vertex)Plans 3 – 10 : Détecteur micro-piste

Le détecteur CBM

Identification des électrons : Suppression des pions RICH & TRD & ECAL Identification des hadrons : ToF – (RPC) Mesure des photons, π, η : ECAL (Cal. électromagnétique)

Aimant

Cible + STSSTS

RICH

TRDs

ToF – (RPC)

ECal

Vertex primaire

Vertex secondaire

Detecteur1Detecteur2

Cible (Au)

z

On a besoin de détecteurs avec

1) Excellente résolution spatiale2) Très faible épaisseur (diffusion multiple)3) Bonne résistance aux radiations

~1013neq/cm²

Détection des mésons charmés

D0 (cū), c = 123 mD0 K-+ (BR =0.0383)

0

Détecteur de vertex proposé :

Capteurs CMOS Monolithic Active Pixel Sensor: Résolution spatiale: ~ 3 m Epaisseur : ~ 0.2 % X0 ( ~ 200 m Si eq.) Radio résistance: ~1013 neq/cm² (durée de vie) ( coll. IPHC/Francfort )

Etapes de simulation et résultats

Etapes de simulation des mésons charmés

Etude de faisabilité pour différents configurations du détecteur de vertex en prenant en compte:

Position, taille, épaisseur des plans, résolution intrinsèque ettenue aux radiations.

A travers des études de simulation on veut assurer qu’on peut détecter le signal de mésons charmés et que le nombre de D0 qu’on mesure est suffisant pour faire des études supplémentaires.

2. Transport (Geant 3)Simuler interaction avec la matière

4. Reconstruction et ajustement des traces

Analyse:Reconstruction candidats D0

1. Générer le BdF et le signal

3. Simulation du détecteur(« smearing » gaussien)

3 plans, 200μm épais, 3μm resol.

Description simplifiée de différents étapes de la simulation

Identification des D0 avec spectre de masse invariante

Bruit de fond

???

En

tré

es [

1/1

0 M

eV

]

Masse invariante [GeV / c²]

(Masse des candidats D0 reconstruites )

Bruit de fond trop élevé pour extraire le signal !D

0

K

+

π +

SvZ-cut and SvChi-cut

PV-cut IPD0-cut

IP-cut

D0

Critères pour traces isolées

D0

Target plane

Target plane

Target plane

Target plane

D0

D0

SvChi-cut: Distance minimum entre les 2 trajectoires.

La trajectoire reconstruite de D0 ne

doit pas entrecroiser le point d’interaction

Il faut que les deux traces ne

s‘entrecroisent pas avec le point d‘interaction

Les traces en dehors du rayon du paramètre d’impact

sont rejetés

SvZ-cut: Vertex sec. situé très proche au point de collision est

rejeté

π+

K-

Critères pour paire de traces

…

Fluctuations simuléesavec un générateur

aléatoire

Masse invariante [GeV / c²]

En

trées [

1 /

10 M

eV

]

Rejet idéal des protons

Résultat final pour une géométrie donnée

SNR = 96S/B = 0.73

D0

K

+ π

+

22 000 D0 / durée de vie du det.

Efficacité de rec: 4.0 %

3 plans, 200μm épais, 3μm resol.

Résumé et Conclusion

Motivation: Etude du diagramme de phases de la matière nucléaire.Expérience CBM explore le région de haute densité baryonique et faible T

* Etude de simulation pour évaluer les performances du détecteur pour la reconstruction des mésons charmés.* Difficulté d’extraire un signal rare dans un environnement de haut b.f.c.* Introduire plusieurs critères de sélection

Résultats Efficacité de reconstruction pendant la durée de vie du détecteur ~ S/B = 0.73 ~ 22 000 D0 / durée de vie du détecteurCe qui reste a faire: Faire des simulations plus réalistes->Réponse réaliste du détecteurDéterminer les caractéristiques optimaux des capteurs CMOS pour nos mesures (taille de pixels, vitesse de lecture…)

Il semble que l’étude des propriétés du QGP avec les mésons charmés est possible avec CBM et le nombre de D0 qu’on obtient est suffisant pour des études détaillées des mésons charmés.

Conclusion:

Back-up slides

Diagramme de phases: matière normale et matière nucléaire

FAIR

• 3 phases: solide, liquide, gazeuse• 1er ordre de transition: coexistence de phases transition brut• Point critique• 2nd ordre de transition: pas de coexistence transition continue

Equation d’état:L’ équation mathématique décrivant le diagramme de phases.

Quelle est l’équation d’état de la matière nucléaire?

Pourquoi étudier diagramme de phases?

L’étude du diagramme de phases de la matière nucléaire en haute T et densitéva nous aider à comprendre:

Qu’est-ce qui c’est passé pendant les toutes premiers instants de l’univers ( Haute T, Basse Pression)

Quelle est la structure des objet astrophysiques (étoiles de neutrons, supernovae) ( Basse T, Haute Pression )

FAIR

Comment créer des conditions de haute T, p au laboratoire?

Au laboratoire on atteint les conditions de haute T et p avec des collisions d’ions lourds. On atteint ainsi des T supérieures à 100 MeV.

On modélise le noyau avec une goutte liquide:

Haute T, p : noyaux s’évaporent et forment un gaz des hadrons. Très Haute T, p : les constituants des nucléons, les quarks, se trouvent déconfinés dans un potentiel commun:

Production du Quark-Gluon Plasma (QGP)

Collision de deux noyaux

QGP

ρ0 = 0.17 nucléons/fm3 ( 2.7x1017 kg/m3 )

ρc ≈ 8∙ρ0

( 21.6x1017 kg/m3 )

Monolithic Active Pixel Sensors: Principe de fonctionnement

QGP

Diagramme de phases de la matière nucléaire

FAIR

RHIC et LHC explorent la région de hautes T et basses densités ou la transition de phase est continue (cross-over).FAIR, en complémentarité avec RHIC-LHC, va explorer la région de basses T et hautes densités.

Identification des D0 avec spectre de masse invariante

Bruit de fond

En

tré

es [

1/1

0 M

eV

]

Masse invariante [GeV / c²]

(Masse des candidats D0 reconstruites )

Bruit de fond trop élevé pour extraire le signal !D

0

K

+

π +

Etude Systématique de la résolution du vertex secondaire

Cette étude illustre la nécessité

d’utiliser des det. très performants

comme les CMOS

Pixels Hybrids

Capteurs CMOS

Vtx_z (reco) – Vtx_z (MC)

Vtx_z = composante du vtx selon direction du faisceau