Expérience BABAR  
 
 
Participation du LAPP Collaboration Dates Clés  

CP violation, discovered 30 years ago in the kaon system, still remains one of the most important problems for our understanding of nature. The aim of BaBar is to study the CP violation in the  system. The experiment will take place at SLAC beginning of 1999. A group of LAPP physicists participates to this experiment, building the gas system for the central detector and studying particle identification with the energy lost in the gas.

INTRODUCTION

La violation de CP bien que découverte depuis plus de 30 ans reste encore très mal connue. Dans le cadre du modèle standard son origine est liée à l'existence de trois familles de quarks et à leur mélange, mais ses prévisions n'ont pas encore été testées avec précision. Dans beaucoup de scénarios de physique au delà du modèle standard la description de la violation de CP est modifiée par la présence de nouvelles particules et de nouveaux couplages. Il en découle des effets mesurables, et accessibles aux expérimentateurs.

L'expérience BaBar installée sur l'anneau de PEPII à SLAC, étudiera la violation de CP dans le système des mésons B. Les effets prédits par le Modèle standard sont importants et expérimentalement observables. L'expérience sera capable de mesurer les côtés et deux angles (alpha et beta) du triangle d'unitarité dans un grand nombre de canaux, et d'éprouver ainsi les prévisions du modèle standard. Elle sera capable d'identifier aussi la signature d'une nouvelle physique. Actuellement BaBar est en phase finale de construction. L'installation sur le faisceau sera terminée fin 1998 et les premières données sont attendues pour le printemps 1999.

Le groupe du LAPP participe à BaBar depuis la formation de la collaboration en 1993. Il s'est intéressé à l'identification de particules par différentes techniques expérimentales. Dans un premier temps il a développé un détecteur de lumière Cerenkov produite dans l'aérogel. Par la suite nous nous sommes intéressés à la perte d'énergie par ionisation (dE/dx) dans le gaz du détecteur à traces central (chambre à fils) de BaBar. Dans ce cadre, nous construisons le système de gaz qui l'alimente. Nous réalisons aussi une série de prototypes de chambres à fils afin d'étudier les propriétés du détecteur à traces. De plus, nous participons à l'effort de mise en service et d'optimisation de l'accélérateur, en construisant un calorimètre en CsI, afin de mesurer le bruit de fond de l'accélérateur.

Le groupe participe à la préparation de l'analyse en étudiant la mesure de l'angle b du triangle d'unitarité. Il participe également à la mise en place des outils logiciels nécessaires à l'analyse en France.

LE SYSTEME DE GAZ POUR LE DETECTEUR A TRACES CENTRAL

Le LAPP a la responsabilité de la conception et de la construction du système de gaz du détecteur à traces central de BaBar. Différentes contraintes s'imposent sur ce système: le mélange de gaz doit être extrêmement stable et la pression doit être réglée avec précision (la pression de fonctionnement est de 3.5 mbar au dessus de la pression atmosphérique). De plus, le détecteur à traces central est fabriqué en fibres de carbone, il est donc très fragile et ne supporte aucune sur ou sous pression. Le mélange de gaz choisi pour offrir la meilleure résolution sur la mesure de l'impulsion de particules chargées, est de 80% Hélium et 20% Isobutane. Le circuit de gaz est un système semi-fermé avec un renouvellement du volume de gaz dans le détecteur toutes les 8 heures. La pression à l'intérieur du détecteur est maintenue constante grâce à un système de régulation de la vitesse du compresseur qui assure la circulation du gaz. Le système de gaz est entièrement contrôlé par ordinateur grâce au logiciel semi-industriel EPICS. Cette méthode a été choisie par BaBar pour le système de contrôle global de l'expérience. Chaque sous-système construit sa propre partie du contrôle qui sera ensuite intégrée dans le système global. De nombreux panneaux de contrôle ont été créés pour surveiller les différents composants du système de gaz.

Une enceinte test alimentée par ce système a été installée dans les locaux du LAPP et les premiers essais ont été effectués. Le programme de contrôle actionne et lit les différents composants (débitmètres, capteurs de pression, etc ) en permanence. Les premiers résultats montrent que la pression dans l'enceinte est constante avec une précision de 0.017 mbar. Après ces essais, le système complet sera installé à SLAC en juin 1998 pour être fonctionnel en juillet 1998.

ETUDE DU PROTOTYPE DE CHAMBRE A FILS

Pour obtenir une résolution spatiale voisine de 100 mm tout en minimisant la quantité de matière devant le calorimètre électromagnétique à cristaux de CsI, on a choisi d'alimenter le détecteur à traces central avec un mélange de 80% d'héelium et de 20% d'isobutane. C'est un mélange relativement peu connu. Pour l'étudier le groupe du LAPP a donc construit une petite chambre à fils cylindrique (figure 1) de dimension 18x15 cm (long.xdiam.), constitué de 34 cellules, réplique d'une cellule de la chambre à fils BaBar. Seules les 16 cellules intérieures sont lues. Au centre de chaque cellule est tendu un fil sensible de diamètre 20 µm porté à un potentiel de 1650V. Les fils de masse occupent les sommets d'un hexagone légèrement déformé.

Plusieurs tests en faisceau ont été effectués : au PS du CERN, dans des faisceaux de pions et de protons de 1 GeV/c à 5 GeV/c avec la possibilité d'introduire la chambre dans un aimant (B=1.2T), au PSI de Zurich en faisceau de pions de 400 MeV/c. Ces tests nous ont permis d'acquérir une statistique suffisante afin, d'une part d'étudier la reconstruction des traces et plus particulièrement la relation temps-distance, d'autre part de mesurer la perte d'énergie par ionisation, dE/dx, pour en déduire la résolution obtenue sur cette grandeur. Nous avons également mesuré la réponse de la chambre en fonction de l'angle d'incidence de la particule puis sous champ magnétique. Les données sont en cours d'analyse.

Une autre chambre à fils possédant moins de cellules est en cours de construction. Elle servira, sur le site de l'expérience BaBar, à la calibration du dE/dx à l'aide d'une source de Fe55.

ETUDE DU BRUIT DE FOND DE L'ACCELERATEUR PEP II

La collaboration BaBar a décidé de participer à l'effort de la mise en route et du réglage de l'accélérateur PEPII. Dans ce cadre plusieurs détecteurs ont été construits afin de mesurer le nombre d'électrons ou photons autour du point d'interaction, le niveau de radiations etc... Ces mesures sont des informations importantes pour les ingénieurs de l'accélérateur pour déterminer le point de fonctionnement optimal. Le groupe du LAPP a construit un calorimètre électromagnétique, constitué de 12 cristaux de CsI(Na) disposés en anneau sur un diamètre intérieur de 280 mm. Le détecteur est placé sur un chariot (construit par le DAPNIA) qui permet de mesurer le bruit de fond électromagnétique en se déplaçant le long du faisceau.

Les cristaux, achetés au groupe de physique de Novosibirsk, sont enveloppés dans 3 couches de Téflon de 25 µm et placés dans une boite en aluminium. La lumière est collectée par un guide qui couvre toute une face d'un cristal. A la sortie du guide est placé un photomultiplicateur. Les 12 cristaux sont supportés par une structure en acier, construite en deux demis C (figure 2). Une source de photons Zn ou Y permet la calibration.
 

 
Fig. 1 : Photo du prototype de chambre à dérive construit au LAPP.

 

 

Fig. 2 : Calorimètre électromagnétique construit au LAPP et installé sur la ligne de faisceau pour mesurer le bruit de fond de l'accélérateur PEP II à SLAC.

Le groupe a été entièrement responsable de la conception, de l'étude, de la réalisation et de l'installation du détecteur. Actuellement PEPII fonctionne avec le faisceau de haute énergie (9.3 GeV) seulement. La structure du détecteur est installée autour du faisceau mais seulement 2 cristaux y sont attachés, en raison du niveau de radiation très élevé pour le moment.

LE DEVELOPPEMENT AEROGEL

Au cours de la phase de conception de l'expérience BaBar, plusieurs techniques d'identification des particules ont été envisagées. L'une d'entre elle combinait un détecteur Cerenkov à imagerie de type DIRC (Detection of Internaly Reflected Cerenkov light) situé dans la partie centrale de l'expérience et un compteur Cerenkov à seuil en aérogel de silice situé dans la partie avant (17o - 23o). Pour cette réalisation, le groupe BaBar du LAPP, en collaboration avec les groupes de CALTECH, Rome, Padoue et Novosibirsk, a proposé un compteur Cerenkov combinant 2 indices d'aérogel : 1.05 et 1.008 ce qui permettait de discriminer les pions et les kaons dans la gamme d'impulsion 0.6 - 4.2 GeV/c. La lecture des blocs d'aérogel était réalisée grâce à des photo-multiplicateurs " finemesh " pouvant fonctionner dans le champ magnétique de l'expérience (1.5 Tesla). La très faible quantité de lumière produite a nécessité une étude importante et délicate des guides de lumière, du revêtement réfléchissant des cellules, des performances de matériaux "décaleur de longueur d'onde" et du comportement de l'aérogel lui même (voir par exemple la figure 3).

Des tests en faisceau ont été entrepris et plusieurs prototypes ont été réalisés. Le principe de fonctionnement d'un tel détecteur a pu être établi.

Malheureusement, des contraintes techniques ont imposé la réduction de l'acceptance angulaire du détecteur BaBar et le compteur en aérogel n'a finalement pas été retenu par la collaboration. Malgré tout, le développement a été un succès et a été poursuivi par le groupe AMS du laboratoire.
 

 

Fig. 3 : Variation du nombre de photo-electrons détectés en fonction de la distance du point d'impact des particules à la fenêtre du guide de lumière. La courbe inférieure correspond à des parois en Téflon seul, la courbe supérieure correspond à des parois en Téflon imprégné de "décaleur de longueur d'onde" PMP.

ORGANISATION DU TRAITEMENT INFORMATIQUE DES DONNEES

L'expérience BaBar utilisera des techniques de traitement des données très modernes et nouvelles dans le domaine de la physique des particules : Programmation orientée objet, base de données orientée objet, etc ... La communauté BaBar française a choisi de ramener au CCIN2P3 l'ensemble des données reconstruites (100 TOctets par an) de manière à avoir l'impact le plus important possible au niveau de la physique. Ce choix a des conséquences importantes au niveau de l'organisation du calcul en France et du développement du CCIN2P3. La coordination du calcul BaBar en France est assurée par un physicien du groupe du LAPP (D.Boutigny).

ANALYSE D'UN CANAL DE VIOLATION CP

Parallèlement à la construction de l'expérience, le groupe BaBar du LAPP s'implique dans la préparation à l'analyse des données à travers l'étude d'un canal de violation de la symétrie CP, B0 ->J/psi K0S. Notre étude porte sur la sélection d'événements, l'étiquetage de la saveur et la mesure du temps. Les prédictions seront formulées en fonction des caractéristiques des sous-détecteurs provenant des tests les plus récents. Cette étude permet entre autres de se familiariser avec les sous-détecteurs, l'environnement informatique dans lequel s'effectueront tous les travaux d'analyse, la physique de la violation de CP et plus particulièrement l'extraction du paramètre sin2beta du triangle d'unitarité.