Le futur collisionneur électron-ion

The future Electron-Ion Collider

• Auteur / Autrice : Pu-Kai Wang
• Direction : Carlos Muñoz Camacho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 12/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....) - Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Newport News, Virginie, États-Unis)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Nicole D'Hose
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthew Nguyen, Philippe Crochet, Charlotte Van Hulse, Marie Germain, Yi Yang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthew Nguyen, Philippe Crochet
• DOI : 10.70675/07aa250cz2cbbz4e80z8a85zb1aadc99047e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes à avalanche

Détecteurs de traces (physique nucléaire)

Calorimètres électromagnétiques

Interactions électron-ion

Partons

Mots clés libres

GPDs

DVCS

EIC

Calorimètres

Pots romains

AC-LGAD

Generalized Parton Distributions (GPDs)

Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS)

Electron-Ion Collider (EIC)

Calorimeters

Roman pots

AC-coupled Low Gain Avalanche Diode (AC-LGAD)

Résumé

Les distributions de Partons généralisées incluent des informations riches et sont devenues un outil puissant pour étudier la structure des hadrons. Deeply Virtual Compton Scattering est le canal en or pour accéder aux GPD. Le développement de détecteurs à haute luminosité et à haute acceptation (Electron-Ion Collider) permet aux physiciens de surmonter la difficulté des mesures DVCS. Les performances exceptionnelles de l’accélérateur permettent d’effectuer des collisions eA au centre de masse avec une énergie de 20 à 140 GeV, tandis que la luminosité à l’échelle de 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Le nouveau type de cristal haute densité, PWO-II, produit par CRYTUR en 2×2×20 cm³ sera utilisé dans le calorimètre. La transparence des cristaux PWO-II est > 70% à 620 nm, > 60% à 420 nm et > 35% à 360 nm. Les cristaux présentent également une bonne dureté aux radiations sous une exposition à un rayonnement de 30 Gy. Dix cristaux PWO-II ont un rendement lumineux uniforme à 30 pe/MeV, fournissant un rendement lumineux suffisant pour réduire la fluctuation des mesures d’énergie. Près de 3000 cristaux ont été construits à l’intérieur de la structure de support du polygone à 12 côtés lors de la simulation. L’algorithme de clustering d’îles a été utilisé pour reconstruire l’énergie. L’étude de résolution énergétique réalisée par le canon à particules montre que le terme stochastique et le terme constant sont respectivement de 1,8% et 1,2%. La résolution spatiale du NEEMC varie de 5% à 15% de la largeur du cristal en fonction de l’angle d’incidence de la particule. Le rejet des pions du NEEMC peut atteindre 10³ avec une efficacité électronique > 85% lorsque l’énergie de la particule est supérieure à 1GeV. L’étude d’efficacité identifiée par Pi0 peut être interprétée comme la recherche des maxima locaux dans un seul amas provoqués par deux photons proches de haute énergie. Les résultats de l’étude montrent que l’efficacité est proche de 100% pour une énergie pi0 inférieure à 10 GeV, et que l’efficacité chute à 30% avec 20 GeV pi0. Le nouveau type d’AC-LGAD pixelisé 3x3 a été relié par fil à ALTIROC pour des tests de performances. La diaphonie entre les canaux adjacents est d’environ 20% pour VPA et 10% pour TZ. Une série de mesures caractéristiques du TDC montre que la gigue pour les deux préamplificateurs est d’environ 20 ps et que l’effet de marche temporelle est léger pour une charge d’injection > 12 pF. De plus, les résultats du rayonnement de la source bêta quantifient l’échelle de partage de l’AC-LGAD 3x3 pixels (~ 20%). Les résultats de l’étude de simulation électronique ne montrent aucun changement significatif dans la résolution spatiale, que la résolution ADC soit de 8, 10 ou 12 bits. Il est décidé d’utiliser l’ADC 8 bits dans l’EICROC car sa taille et sa consommation d’énergie sont inférieures à celles des ADC 10 bits et 12 bits. L’ECCE est l’une des propositions complètes de détecteurs pour l’EIC. Le nouveau type de générateur DVCS, appelé TOPEG, est utilisé pour générer des configurations de faisceaux à haute acceptation de 18×110 GeV² d’électrons et de ⁴He. L’étude d’acceptation montre un écart de -1,8 < ƞ < -1,4 entre le BEMC et l’EEMC. La coupe géométrique de 10σx,y est appliquée sur les pots romains, de sorte que l’acceptation des pots romains tombe rapidement à 0% lorsque l’angle polaire de l’⁴He reculé < 2 milliards. Cette étude principale de simulation ECCE suggère d’étendre l’acceptation du BEMC longitudinalement, car la structure limite la taille radiale de l’EEMC. L’acceptation des pots romains reste un défi. En 2023, la conception globale de l’ePIC a été finalisée en fusionnant deux propositions complètes de détecteurs (ECCE et ATHENA) après une série d’études de simulation intensives.

Generalized Parton Distributions include rich information and became a powerful tool for studying hadron structure. Deeply Virtual Compton Scattering is the golden channel to access GPDs. The development of high luminosity and high-acceptance detectors (Electron-Ion Collider) allows physicists to overcome the difficulty of DVCS measurements. The outstanding performance of the accelerator performs the eA collisions at the center of mass energy from 20 to 140 GeV, while the luminosity at the scale of 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. The new type of high-density crystal, PWO-II, produced by CRYTUR in 2×2×20 cm³ will be utilized in the calorimeter. The transparency of PWO-II crystals is > 70% at 620 nm, > 60% at 420 nm, and >35% at 360 nm. The crystals also show good radiation hardness under 30 Gy radiation exposure. Ten PWO-II crystals have a uniform light yield at 30 p.e./MeV, providing sufficient light yield to reduce the fluctuation of the energy measurements. Near 3000 crystals were constructed inside the 12-sided polygon supporting structure in the simulation. The island clustering algorithm was used for reconstructed the energy. The energy resolution study by the particle gun shows the stochastic term and constant term are 1.8% and 1.2%, respectively. The spatial resolution of NEEMC varies from 5% to 15% of the crystal’s width depending on the particle’s incident angle. The pion rejection of NEEMC can reach 10³ with electron efficiency > 85% when the particle’s energy is larger than 1GeV. The Pi0-identified efficiency study can be interpreted as finding the local maxima in the single cluster caused by two high energy close photons. The study results show that efficiency is nearly 100% for pi0 energy is smaller than 10 GeV, and efficiency drops to 30% with 20 GeV pi0. The new type of 3x3 pixelated AC-LGAD were wire bonded to ALTIROC for performance test. The cross-talk between the adjacent channels is about 20% for VPA and 10% for TZ. A series of the TDC characteristic measurements show that the jitter for both preamplifiers is about 20 ps, and the time-walk effect is mild for inject charge > 12 pF. Furthermore, the beta source radiation results quantify the sharing scale of the 3x3 pixels AC-LGAD (~ 20%). The electronics simulation study results show no significant changes in the spatial resolution, whether ADC resolution is 8, 10, or 12 bits. The 8-bit ADC is decided to use in the EICROC as it has a smaller size and power consumption than the 10-bit and 12-bit ADC. The ECCE is one of the full detector proposals for EIC. The new type of DVCS generator, called TOPEG, is used to generate the high acceptance beam configurations of 18×110 GeV² electron and 4He. The acceptance study shows a -1.8 < ƞ < -1.4 gap between the BEMC and EEMC. The 10σx,y geometry cut is applied on the Roman Pots, so the acceptance of Roman Pots quickly drops to 0% when the polar angle of the recoiled ⁴He < 2 mrad. This primary ECCE simulation study suggests extending the acceptance of BEMC longitudinally as the structure limits the radial size of EEMC. The acceptance of the Roman Pots is still challenging. In 2023, The overall design of ePIC was finalized by merging two full detector proposals (ECCE and ATHENA) after a series of intensive simulation studies.