Calcul de délais pour la physique avec le
premier faisceau du LHC

Prédiction par canal du temps pour la physique

Principe de la méthode

Les données d’étalonnage permettent de mesurer la propagation des signaux dans le système d’acquisition. A partir de runs de délai et de la connaissance de la chaîne de lecture, le temps d’un pulse de physique en mode collisions peut être prédit, à une constante près commune à tous les canaux. Par canal, ce temps relatif tphys s’exprime de la manière suivante : tphys = tcalib −Lcalib ×vcalib +TOF +∆T TC où : • tcalib est le temps au pic du signal d’étalonnage mesuré dans des runs de délai ; • Lcalib et vcalib sont respectivement la longueur du cable d’étalonnage et la vitesse de propagation dans le cable d’étalonnage (vcalib = 5.5±0.3 ns.m−1 ) ; • TOF est le temps de vol depuis le point d’interaction ; • ∆T TC est une constante par FEB, due au câblage du système de déclenchement. Dans le cas du FCal, le système d’étalonnage utilisé conduit à une autre formule : le terme de propagation dans le câble d’étalonnage est remplacé par un terme de propagation dans le câble signal. Afin de pouvoir comparer les temps des différents canaux, les runs de délai doivent être pris avec des valeurs d’inhibit delay et de latence identiques pour toutes les partitions1) . Les différences de forme des pulses d’étalonnage et de physique et de point d’injection sont négligées dans cette méthode. L’effet dû au câblage de la carte d’étalonnage n’est également pas pris en compte : étant donné l’amplitude des variations et la précision recherchée (∼ 1 ns), il a été décidé de ne pas corriger cet effet. Les longueurs des câbles d’étalonnage utilisées sont données en annexe C. Les autres termes contribuant à la prédiction sont détaillés dans la suite 

Temps de vol 

Pour calculer le temps de vol pour un canal donné, un point d’arrivée doit être défini, correspondant au temps de début du pulse de physique (le point de départ est fixé au centre du détecteur). L’exigence ici est d’avoir une définition cohérente avec la précision recherchée pour tous les calorimètres. Pour les calorimètres électromagnétiques, le choix a été fait d’utiliser la profondeur effective de la gerbe dans chaque compartiment : cette profondeur (r pour le tonneau, z pour les bouchons) a été déterminée en fonction de η à partir de la simulation complète d’événements avec un photon de 100 GeV venant du point d’interaction et interagissant avec le calorimètre électromagnétique. Une étude semblable n’a pas été effectuée pour le HEC et le FCal : pour ces calorimètres, le point d’arrivée pour le calcul de la distance en z à partir du vertex est défini comme le milieu en profondeur de chaque compartiment. Pour le HEC, les positions suivantes (correspondant aux quatre compartiments longitudinaux) ont été utilisées : z1 = 4.398 m, z2 = 4.806 m, z3 = 5.359 m, z4 = 5.840 m Pour le FCal, les positions suivantes (correspondant aux trois compartiments longitudinaux) ont été utilisées : z1 = 4.916 m, z2 = 5.366 m, z3 = 5.816 m En utilisant ces hypothèses, le temps est directement calculé à partir de la position en η du canal : • pour le tonneau : TOF(η,compartiment) = r(η,compartiment) ccoshη • pour le bouchon : TOF(η,compartiment) = z(η,compartiment) ctanhη où c est la vitesse de la lumière. Le temps de vol varie de ∼ 5 ns (pour un canal du pré-échantillonneur à η ∼ 0) à ∼ 19 ns (pour un canal du dernier compartiment du HEC). 

Correction TTC

 Deux termes contribuent à cette correction, due au câblage des différentes partitions (voir Sec. 10.2). Schématiquement, elle s’écrit : ∆T TC = (LT Pmax −LTP)+(Lmax −L) où LT P est le temps de propagation du CTP au LTP de la partition à laquelle appartient le canal et L est le temps de propagation dans la fibre optique jusqu’au châssis front-end correspondant au canal. Les différences sont calculées par rapport aux lignes les plus longues. Le terme LT Pmax − LTP possède deux contributions : le câble LTPI→LTP est plus long (30 cm) pour la paire de partitions EMECA-EMECC et les partitions C reçoivent les signaux de commande de la partition A correspondante par un câble LTP→LTP de 65 cm. Une vitesse de propagation de 5.5 ns.m−1 est utilisée pour calculer les délais correspondants. Le terme Lmax − L est donné pour toutes les fibres en annexe D. Le temps de propagation dans les fibres des bouchons est ∼ 80 ns plus long que dans celles du tonneau ; la dispersion à l’intérieur de chacun des deux groupes de fibres est ∼ 5 ns. L’application de cette correction est équivalente à synchroniser les commandes de déclenchement au niveau des châssis front-end. 

Analyse des données du premier faisceau du LHC

Configuration des événements splash

 Le 10 septembre 2008, des bunchs de protons des faisceaux 1 et 2 du LHC ont successivement été injectés et ont effectué des tours complets de l’anneau principal, à une énergie de 450 GeV (énergie d’injection en sortie du SPS). Afin de produire des événements avec une activité élevée dans les différents sous-détecteurs, le faisceau a été envoyé successivement sur les collimateurs en position fermée placés 140 mètres en amont du détecteur ATLAS (un collimateur de chaque côté) : le collimateur est alors équivalent à une cible fixe de tungstène. En frappant la cible, le faisceau produit des gerbes de particules (essentiellement des muons) qui se propagent jusqu’au détecteur2) . La configuration de ces événements (appelés splash) est schématisée sur la Figure 11.1. Des événements avec une activité allant jusqu’à 1000 TeV ont été enregistrés. Les données analysées ont été obtenues lors d’un même run (87851) avec le faisceau 2 du LHC (le faisceau 2 frappe le collimateur placé du côté C du détecteur). Le mode d’acquisition des calorimètres LAr est en 5 échantillons (le mode en 32 échantillons, permettant de reconstruire les pulses d’ionisation complets, a été utilisé pour d’autres runs mais ces runs ne possèdent pas suffisamment d’événements intéressants pour notre étude). Le système de déclenchement utilise le détecteur BPTX (Beam Pick-up Trigger) : ce système, placé 175 mètres en amont du détecteur, est basé sur la modification du potentiel électrostatique d’une électrode au passage d’un bunch de protons. Afin de sélectionner des événements avec suffisamment de cellules touchées, une coupure à 25 TeV sur l’énergie totale déposée dans le calorimètre électromagnétique est appliquée : un échantillon de 26 événements est ainsi obtenu.