presentation

Stage de fin d’année - M2 Recherche : Physique Subatomique
Université Blaise-Pascal
Etude de la polarisation du J/Y
en collision proton-proton dans
le détecteur PHENIX
Vincent RASPAL
Responsable de stage : Philippe ROSNET
Déroulement de la présentation
• Motivations théoriques
– Qu’est-ce que le J/Y 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
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Déroulement de la présentation
• Motivations théoriques
– Qu’est-ce que le J/Y 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
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Motivations théoriques
Qu’est-ce que le J/Y et pourquoi s’y intéresser ?
Le méson J/Y est un état lié de la famille des charmonia, formé d’un quark
l’antiquark c noté : cc
c et de
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/Y ≈ 3.1 GeV/c²
J/Y  hadrons / e+e- / µ+µ~88%
~6%
~6%
On s’intéresse à ce canal
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 Bang
Le 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/Y (selon certains modèles) : le J/Y deviendrait une signature du QGP
 D’où l’intérêt d’une étude du J/Y (produit en collision proton-proton) et notamment de sa
polarisation
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Motivations théoriques
Quelles informations tirer d’une désintégration ?
Le J/Y 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/Y :
Les 2 particules produites ont des
impulsions opposées.
La distribution spatiale de la
désintégration est définie par 2 angles :
q et f
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Motivations théoriques
Quelles informations tirer d’une désintégration ?
L’étude de la cinématique de désintégration conduit à la distribution angulaire
suivante :

1 dN
3

1   cos 2 q   sin 2q cos f  sin 2 q cos 2f
N d 4 (  3)

 [-1:1]
Soit, après intégration sur f :

1 dN
3

1   cos 2 q
N d 4 (  3)
 = -1 : polarisation transversale

 = 0 : polarisation nulle
 = +1 : polarisation longitudinale
 est directement lié à la polarisation du J/Y : la détermination expérimentale de
cette distribution angulaire doit permettre de remonter à la valeur de .
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Motivations théoriques
Quelles informations tirer d’une désintégration ?
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Déroulement de la présentation
• Motivations théoriques
– Qu’est-ce que le J/Y 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
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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
µ+
µp
p
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Déroulement de la présentation
• Motivations théoriques
– Qu’est-ce que le J/Y 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
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Traitement des données de PHENIX
Le spectre en masse invariante des dimuons
La masse invariante M du dimuon est donnée par :
M 2  m1  m2  2 P1  P2
2
Masses au repos des muons :
105.658 MeV/c²
2
Quadrivecteurs des deux muons

E
Pi   i , pi 
 c

Pour chaque dimuon µ+µ-, la masse invariante est calculée et l’histogramme est
tracé à l’aide de l’outil d’analyse ROOT :
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Traitement des données de PHENIX
Le spectre en masse invariante des dimuons
Données proton-proton (bras nord) du Run 6
J/Y
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Traitement des données de PHENIX
La distribution en ‘cos q’
Passage du référentiel du laboratoire au référentiel du
centre de masse :
1.L’axe (Oz) est amené selon l’impulsion du J/Y par deux
rotations successives
2.Une transformation de Lorentz permet d’accéder au
référentiel du centre de masse du J/Y
Problème 2 :
Evaluer les effets
d’acceptance du
détecteur
Problème 1 :
Quantité et forme
du bruit de fond
?
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Traitement des données de PHENIX
Estimation de la quantité de bruit de fond
Réalisation d’un ajustement de l’histogramme par des fonctions analytiques :
FTOT = G1 + G2 + G3 + exp
FBKG =
Quantité de
bruit de fond
Quantité de
J/Y
G2 + G3 + exp
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Traitement des données de PHENIX
Estimation de la forme du bruit de fond
Poids statistique : 50%
Poids statistique : 50%
HBKG
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Traitement des données de PHENIX
Estimation du J/Y sans bruit de fond
-
=
HBKG
HJ/Y
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Traitement des données de PHENIX
Problème d’acceptance du J/Y
•Utilisation du logiciel Pythia
•Simulation de production de J/Y lors
de collisions p-p d’énergie 200 GeV
•Introduction de paramètres
d’acceptance :
Impulsion de chaque muon < 2 GeV/c²
angle entre les deux muons > 19°
Pseudo-rapidité de chaque muon :
1.2 < |h| < 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 temps
Idée abandonnée
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Traitement des données de PHENIX
Estimation des effets d’acceptance du détecteur sur le J/Y
•
La distribution du J/Y mesurée doit pouvoir être modélisée par :
HJ/Y = Cte × haccept × hpol
ajustable par (1 +  cos² q)
Donc on a :
hpol = HJ/Y / (haccept × Cte)
hpol = hJ/Y / haccept
.
•
Hypothèse : les effets d’acceptance sur le bruit de fond et sur le J/Ysont identiques donc
haccept = hBKG
hpol = hJ/Y / hBKG
•
L’ajustement de hpol permettra de remonter à la valeur de 
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Traitement des données de PHENIX
Résultats obtenus
hJ/Y
hBKG
=
Ajustement par : 1 +  cos² q
 = -3.019 ± 0.224
Incertitude statistique
•  ne se situe pas dans l’intervalle [-1; 1] autorisé, même en considérant
l’incertitude statistique
•Que vaut l’incertitude systématique ?
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Traitement des données de PHENIX
Résultats obtenus
Poids statistique : 100%
 = -3.727
Poids statistique : 0%
Incertitude statistique
0.295
 = -3.019 ± 0.224 ± 0.708
Incertitude systématique
(une partie)
Poids statistique : 100%
Poids statistique : 0%
 = -2.724
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Déroulement de la présentation
• Motivations théoriques
– Qu’est-ce que le J/Y 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
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Conclusion et perspectives
• 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/Y
Évaluer les effets de polarisation du Y’ dans la soustraction du bruit de
fond
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Merci de votre attention
Traitement des données de PHENIX
Les 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 q’ 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/Y
Fonction choisie : gaussienne
Paramètre : s
PROBLÈME
les deux dernières sections
se trouvent mal ajustées
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Idée abandonnée