Etude de la polarisation du J/ en collision proton-proton dans le détecteur PHENIX Stage de fin dannée - M2 Recherche : Physique Subatomique Université

Etude de la polarisation du Etude de la polarisation du J/J/ en collision proton-en collision proton-

proton dans le détecteur proton dans le détecteur PHENIXPHENIX

Stage de fin d’année - M2 Recherche : Physique Subatomique

Université Blaise-Pascal

Vincent RASPAL Responsable de stage : Philippe ROSNET

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• Motivations théoriques– Qu’est-ce que le J/ et pourquoi s’y intéresser ?– Quelles informations tirer d’une désintégration ?

• Le détecteur PHENIX

• Traitement des données de PHENIX– Le spectre en masse invariante des dimuons– Les différentes voies envisagées pour résoudre le problème– Les résultats obtenus

• Conclusion et perpectives

Déroulement de la présentation

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Le méson J/ est un état lié de la famille des charmonia, formé d’un quark et de l’antiquark noté :

C’est une particule lourde, donc des hautes énergies sont nécessaires pour qu’il se forme

Sa durée de vie est très faible (10-23 s). Masse : mJ/ ≈ 3.1 GeV/c² J/ hadrons / e+e- / µ+µ-

~88% ~6% ~6%

Pour de la matière nucléaire à très haute densité d’énergie, il y apparition d’un nouvel état : le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP)Le QGP aurait été l’état de la matière quelques microsecondes après le Big BangLe QGP est caractérisé par une annulation de l’intéraction forte ou force de couleur (qui lie les quarks entre eux)

Lors de la formation d’un QGP, l’écrantage de la force de couleur empêcherait la formation du J/ (selon certains modèles) : le J/ deviendrait une signature du QGP

D’où l’intérêt d’une étude du J/ (produit en collision proton-proton) et notamment de sa polarisation

Qu’est-ce que le J/et pourquoi s’y intéresser ?

cc

cc

On s’intéresse à ce canal

Motivations théoriques

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Motivations théoriques

Le J/ est une particule de spin S = 1

Désintégration possible en dileptons : e+e- ou µ+µ-, particules de spin S=1/2

Dans le référentiel du centre de masse du J/ :

Les 2 particules produites ont des impulsions opposées.

La distribution spatiale de la désintégration est définie par 2 angles :

et

Quelles informations tirer d’une désintégration?

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L’étude de la cinématique de désintégration conduit à la distribution angulaire suivante :

Soit, après intégration sur :

Motivations théoriquesQuelles informations tirer d’une désintégration?

2cossincos2sincos1)3(4

31 22

ddN

N

2cos1)3(4

31

ddN

N

est directement lié à la polarisation du J/ : la détermination expérimentale de cette distribution angulaire doit permettre de remonter à la valeur de .

= -1 : polarisation transversale

= 0 : polarisation nulle

= +1 : polarisation longitudinale

[-1:1]

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Motivations théoriquesQuelles informations tirer d’une désintégration?

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Le détecteur PHENIX

PHENIX fait partie du collisionneur RHIC situé au Brookhaven National Laboratory, mis en service en 2000

RHIC : 2 anneaux et 6 points d’intersection

(chaque point d’intersection est susceptible d’accueillir un détecteur et une expérience : PHENIX est l’une d’entre elles)

2 types de collisions : – ions lourds (Au, Cu)

– Protons

Plusieurs détecteurs :– Pour les électrons, hadrons, photons

– Pour les muons

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Le détecteur PHENIX

p p

µ+

µ-

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Traitement des données de PHENIX

La masse invariante M du dimuon est donnée par :

Pour chaque dimuon µ+µ-, la masse invariante est calculée et l’histogramme est tracé à l’aide de l’outil d’analyse ROOT :

2122

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2 2 PPmmM

Le spectre en masse invariante des dimuons

Quadrivecteurs des deux muons

i

ii pc

EP,

Masses au repos des muons : 105.658 MeV/c²

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Traitement des données de PHENIXLe spectre en masse invariante des dimuons

J/

Données proton-proton (bras nord) du Run 6

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Traitement des données de PHENIXLa distribution en ‘cos ’

Passage du référentiel du laboratoire au référentiel du centre de masse :

1.L’axe (Oz) est amené selon l’impulsion du J/ par deux rotations successives

2.Une transformation de Lorentz permet d’accéder au référentiel du centre de masse du J/

Problème 1 :

Quantité et forme du bruit de

fond ?

Problème 2 :

Evaluer les effets

d’acceptance du détecteur

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Traitement des données de PHENIXEstimation de la quantité de bruit de fond

Réalisation d’un ajustement de l’histogramme par des fonctions analytiques :

FFTOTTOT == G1G1 ++ G2G2 ++ G3G3 ++ expexp

FFBKGBKG == G2G2 ++ G3G3 ++ expexp

Quantité de bruit de fond

Quantité de J/

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Traitement des données de PHENIXEstimation de la forme du bruit de fond

Poids statistique : 50%


HBKG

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Traitement des données de PHENIXEstimation du J/ sans bruit de fond

- =

HJ/HBKG

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Traitement des données de PHENIXProblème d’acceptance du J/

•Utilisation du logiciel Pythia•Simulation de production de J/ lors de collisions p-p d’énergie 200 GeV

•Introduction de paramètres d’acceptance :

Impulsion de chaque muon < 2 GeV/c²angle entre les deux muons > 19°Pseudo-rapidité de chaque muon :

1.2 < || < 2.2

PROBLÈME :

La représentation obtenue n’est pas encore vraiment représentative de la réalité. Utilisation de PISA (simulation de l’ensemble de la chaîne de mesure et de reconstruction).

Trop couteux en tempsIdée abandonnée

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• La distribution du J/ mesurée doit pouvoir être modélisée par :

HJ/ = Cte × haccept × hpol

Donc on a :

hpol = HJ/ / (haccept × Cte)hpol = hJ/ / haccept .

• Hypothèse : les effets d’acceptance sur le bruit de fond et sur le J/sont identiques donc

haccept = hBKG

hpol = hJ/ / hBKG

• L’ajustement de hpol permettra de remonter à la valeur de

Traitement des données de PHENIXEstimation des effets d’acceptance du détecteur sur le J/

ajustable par (1 + cos² )

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Traitement des données de PHENIXRésultats obtenus

hJ/

hBKG=

= -3.019 ± 0.224Incertitude statistique

• ne se situe pas dans l’intervalle [-1; 1] autorisé, même en considérant l’incertitude statistique

•Que vaut l’incertitude systématique ?

Ajustement par : 1 + cos²

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Traitement des données de PHENIXRésultats obtenus





= -3.727

= -2.724

= -3.019 ± 0.224 ± 0.2950.708

Incertitude statistique

Incertitude systématique (une partie)

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• La valeur de n’est pas comprise dans la fourchette attendue, malgré la prise en compte des deux types d’incertitudes

• Il doit y avoir des biais dans la méthode : mauvaise prise en compte des caractéristiques du détecteur et de son acceptance

Pistes à suivre :injecter dans le logiciel PISA les données Pythia afin de simuler

intégralement le détecteur PHENIX et ainsi évaluer ses effets d’acceptance sur le J/

Évaluer les effets de polarisation du ’ dans la soustraction du bruit de fond

Conclusion et perspectives

Merci de votre attentionMerci de votre attention

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Traitement des données de PHENIXLes différentes voies envisagées pour la résolution du problème

Idée n°1 : • découper le spectre en masse invariante en 6 sections• réaliser la distribution en ‘cos ’ de toutes ces sections• ajuster ces distributions par une fonction à 1 paramètre caractéristique• Interpoler la valeur de ce paramètre pour la section en masse invariante du J/

Fonction choisie : gaussienne

Paramètre :

PROBLÈME

les deux dernières sections se trouvent mal ajustées

Idée abandonnée

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