1/43 Performances du détecteur en silicium à micropistes de l’expérience STAR au RHIC Jonathan...

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Performances du détecteur en silicium à micropistes de l’expérience STAR au RHIC

Jonathan Bouchet29 octobre 2007

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Sommaire

I. MotivationII. Complexe expérimentalIII. Données du Silicon Strip Detector IV. Analyse des données produites Cu+Cu V. SimulationVI. Reconstruction des particules étrangesVII. Conclusions et perspectives

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Sommaire


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a. Le Plasma de Quarks et de Gluons

• Aurait existé lors des 1iers instants de l’Univers

• Existerait actuellement sous des formes difficilement accessibles expérimentalement

• Prédiction de QCD sur réseau : • Tc ~ 170 MeV• c ~ 0.7 GeV/fm3

Plasma de Quarkset de Gluons : état déconfiné de lamatière nucléaire

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b. Collisions d’ions lourds

• Seul moyen expérimental de recréer les conditions de pression et de température nécessaire

• État final accessible par des détecteurs• Besoin d’observables physiques traduisant les phases initiales par

lesquelles s’est déroulée la collision.

Étatinitial

Pré équilibre Milieu dense et chaud(PQG ?)

Hadronisationtemps

Dét

ecte

urs

0 fm/c 2 fm/c 7 fm/c

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c. Mesure du charme ouvert• Quarks lourds : produits lors des 1iers instants de la collision par fusion gluonique

• Flot : si observé, preuve de la thermalisation (car leur masse élevée requiert plusieurs collisions pour atteindre ce degré de collectivité)

Décroissance hadronique (mesure directe)

•D0 K- + 3.8%•D+/- K 9.2%•D0 bar K+ - 3.8%

Décroissance semileptonique (mesure indirecte)

•D0 e+ + anything 6.9%•D+/- e+/- + anything 17.2%

nucl

-ex/

0511

005

nucl

-ex/

0510

063

Masse invariante D0(D0)

Spectre d’électrons non photoniques

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d. Reconstruction directe

• Intérêt : séparer les contributions :

• B e+X• D e+X

• But : réduire le fond combinatoire en identifiant directement la topologie du vertex de décroissance

• Coupure sur la distance de plus courte approche des traces nécessite une résolution précise c = 124 mD0 K+-

nucl

-ex/

0607

012

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Sommaire


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a. Relativistic Heavy Ion Collider

• Situé au Brookhaven

National Laboratory

• 2 anneaux indépendants

• 3.83 km de diamètre

• Complexe pré accélération (Tandem, Booster, AGS)

• Flexibilité: de p à Au

• Protons polarisés

BRAHMSPHOBOS

PHENIX

Long Island

Long Island

Prise de données runV (2005)

s (GeV)

Cu+Cu 200

Cu+Cu 62.4

Cu+Cu 19.6

p+p (polarisés) 200

p+p (polarisés) 410

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b. Solenoid Tracker At RHIC

Chambre àProjectionTemporelle

Aimant B = 0.5 T

CalorimètresHadroniques

etÉlectromagnétiquesDétecteurs

deDéclenchement

Détecteurs de

vertex

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c. Silicon Vertex Tracker

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Couche 18 échelles4 modules par échelle<R> = 6.85 cm



Dimension d’un module 60 x 60 mm2

Résolutions spatiales r/ = z ~ 20m

Relativement épais :Longueur de radiation : <1.5%X0> par couche

Détecteur en silicium à dérive

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d. Motivations du SSD

• Augmentation des capacités de trajectographie par une meilleure connexion des traces de la TPC avec les points d’impacts du SVT :

– Une meilleure précision sur les traces provenant du vertex primaires.

– Augmentation du nombre de vertex secondaires.

• Amélioration de la résolution en impulsion.

• Possible reconstruction des traces de basses impulsions transverses.

Décroissance d’un

TPCSSD

SVT

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d. Silicon Strip Detector

Longueur de radiation : 1.1 % X0

Détecteur en silicium double face à micropistes 73 x 42 mm2 x 300 m• Résolutions spatiales

• r/ = 25m• z = 800m

• Couche placée à 23 cm du faisceau• 0.5 Millions de canaux• S~1 m2

•Spécificité :•Intégration•Compacité(électronique intégré)

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Sommaire


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a. Reconstruction des données

Collisions A+A

Gain Calibration

Alignement

Lorentz Effect

Signal Physique

PistesAmas

de chargePoints

d’impacts

ClusterMatcher

TrajectographeITTF

DAQ de STAR

DAQ du SSD

ClusterFinder

vers Analyse en ligne

Analyse hors ligne

Soustraction des piédestaux

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b.1 Piédestal et bruit

• Réponse à «vide» du détecteur• Acquisition sans collisions• Piédestal = moyenne du «signal»

• Bruit = écart-type associé

Pi

bi

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b.2 Taux de pistes bruyantes et Stabilité

CuCu@200GeV CuCu@62GeV

CuCu@22GeV

pp@200GeV

•<bruit>~4 ADC•Le pourcentage de pistes dont le

bruit est > 8 ADC est de l’ordre de 5 %

Piédestal

16 x Bruit

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c. Reconstruction des amas de charge

• Un amas de charge est un groupement de pistes d’indices consécutifs dont le signal est induit par le passage d’une particule.

• Sélection de la piste centrale avec une coupure en signal sur bruit (s/b)

• Taille de l’amas N : nombre de pistes d’indices consécutifs

• Charge et bruit total de l’amas

• Signal sur bruit de l’amas :

Sig

nal

sur

bru

it

Indices depistes

s/b >5

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c.1 Environnement peu dense en particules

1p

1n

95m

95m

Résolution digitale :

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c.2 Environnement dense en particules

1n

1p

95m

95m

2p

2n

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c.3 Résoudre les ambiguïtés

• Les pistes sont inclinées d’un angle afin de réduire le recouvrement.

• Dans le SSD de STAR, la valeur de a été suivant un compromis entre la dégradation des résolutions (selon r/ et z) et le nombre d’ambiguïtés.

= 35 mrad recouvrement = 15 pistes

• permet de reconstruire 90 % des cas.

= 35 mrad

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Type de points d’impacts reconstruits

Type 0

% 89.7

•Association géométrique des amas de charge •8 hits /détecteur = limite supérieure•Majorité de cas non ambigus

Ambiguïté croissante

1-1 1-2 2-2 3-32-31-3

Exemple 1-1: un amas sur une face du détecteur associé avec un seul amas sur l’autre face du détecteur

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d.2 Coupures appliquées

PistesAmas

de chargePoints

d’impacts

ClusterMatcher

ClusterFinder

Coupure sur le bruit des pistes avant de former les listes :

s > 3 * b

Corrections des amas de charge dont la taille reconstruite est anormalement élevée.

Coupure sur le signalsur bruit des pistes voisines à la piste centrale de l’amas

s/bs/b

s/bPas de coupure sur les pistes voisines

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d.2 Effets de la coupure

• Le signal «physique» n’est pas supprimé

• La taille des amas de charge diminue avec la coupure

• Diminution des points d’impacts ambigus

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e. Différentes énergies

• Pas de différence notables entre les 2 énergies de collisions pour les caractéristiques des amas des charge.

Plus de points d’impacts du à l’association de plusieursAmas de charge = environnement plus dense en particules pour les collisions à 200 GeV

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f.1 Calibrage des charges

La même quantité de charge sur les 2 faces est attendue pour des MIP. Charge N vs charge P

Non corrigé

Valeurs déduites en injectant une impulsion interne fixe dans un nombre de canaux

•Correction du gain relatif entre les signaux des faces P et celui des faces N

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f.2 Résultats

Corrélation:charges lues

sur la face N

en fonction des charges

lues sur la face P

Déviation :différence des

charges lues sur la face N

avec les charges lues sur la face P

Pas de calibrage Calibrage

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g.1 Effet de la force de Lorentz

• Observation : décalage dans la direction Z des résidus selon l’orientation du champ magnétique

Résidus = position(trace) - position (hit associé)

<Z> de l’ordre de 200 m entre 2 orientations opposées du champ magnétique

• Force de Lorentz : les trajectoires des électrons et trous sont modifiées par la force de Lorentz (combinaison du champ magnétique de l’aimant de STAR avec le champ électrique régnant au sein des détecteurs en silicium)

B = - 0.5T

B = 0.5T

Trajectoire modifié parle champ magnétique

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g.2 Prise en compte de l’effet de Lorentz

• Valeurs des angles de déviations associés aux électrons e- et aux trous e

+

• L = 21° pour e+ et L=8° pour les électrons [1] (à T =280 K et Vbias = 40 V)• normalisées à STAR.

Augmentation de l’efficacitécar l’association de la trace avec le point du SSD est améliorée.

[1]:physics/0204078

x = 12 m pour les trous x= 4,2 m les électrons

e+ = 4.4

e- = 1.6

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Sommaire


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a.1 Efficacité de trajectographie

• Projection de la trace sur le SSD lors du track finding/fitting• k points candidats et n points ajustés sont associés à chaque trace.• L’efficacité est définie comme une

distribution binomiale entre le nombre de traces ayant un nombre de points candidats = nombre de points ajustés

x

x

x

Trace provenantde la TPC

#

Toutes les tracesÀ l’intérieurdu SSD

=Traces avec SSDx

Cu+Cu@62GeV

Effi

caci

téB

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a.2 Cu+Cu@200GeV

Détecteur Points d’impacts Si Efficacité

SSD 1 54.4

SVT 2

3

54.5

44.5

SSD+SVT 2

3

4

49.0

58

46.6

Efficacité en fonction de l’impulsion P des traces primaires

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b. Distance de Plus Courte Approche

• Distance minimale séparant la trace du vertex

primaire d’interaction

• Critère de qualité pour évaluer la précision du

SVT+SSD : résolution sur la DCA

• Contributions :

– vertex ~ 600m/√(Nombre de traces)

– tracking~ 2 * XY (XY : résolution intrinsèque du détecteur)

– Diffusion multiple coulombienne (MCS):

f(x/X0,1/P)

En 1 ière approximation, MCS ~ 140m/ P(GeV/c)

. 2 = 2vertex + 2

tracking+ 2MCS [1]

Condition : tracking ~ MCS à 1GeV

0 =

0

x

De [1] :

XY< 80m

Z < 80m

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c. Résultats (Cu+Cu@200GeV)

DCA à 1 GeV xy (m) Z (m)

TPC 3350 1800

SSD 960 1005

SSD+SVT 281 213

•Résolutions sur les DCA évaluées comme la déviation standard de la distribution des DCA

TPC TPC

TPC+SSDTPC+SSD

TPC+SSD+SVTTPC+SSD+SVT

(m) a

Selon xy 183

Selon z 120

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Sommaire


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V Code de simulation

• Réécriture du code pour unification avec la chaîne de reconstruction des données réelles :– Pour comprendre les différences entre la simulation et les données

réelles– 3 types de simulations :

• Détecteur parfait• Détecteur réaliste• Détecteur bruyant

– Futur : embedding avec le SSD.• Développement d’un simulateur rapide : test de l’acceptance

géométrique

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a. Données intrinsèques

• Différence avec les données réelles dans la taille des amas dû à la limitation dans la simulation sur la taille des amas.

Signal sur bruitTaille des amas

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b. Influence du bruit sur l’efficacité de trajectographie

Bruit parfait : efficacité plate

Bruit réel : disparités dues aux différences de bruit des échelles

Bruit élevé : efficacité plate mais plus basse

Efficacité en fonction de l’impulsion Efficacité en fonction de l’angle azimutal

Type de bruit des pistes parfait réel élevé

Efficacité intégrée (%) 85 66 48.5

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Sommaire


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VI Reconstruction des particules étranges

Vertex secondaires

Type V0

Type Cascade

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a. Masse invariante KS0 +-

Nombre de points d’impacts

dans les détecteurs de vertex

0 1

(SSD seul)

>1

Signal sur bruit 3 9 16

Pas de points d’impacts dans le SVT et SSD Points d’impacts

dans le SSD seul

Points d’impacts dans le SSD etle SVT

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VII. Conclusions• L’analyse des données du SSD seul en accord avec les tests faisceaux.• Calibration à faire chaque année :

– Piédestaux en base de données– Calibration en charges– Alignement

• Les 1ières analyses montrent l’impact du SSD (et SVT) sur les données physiques

• Effet de Lorentz : implémenter pour la 1ière fois. • À étudier : déplacement de bruit commun• Chaîne de reconstruction pour les données simulées et les données réelles

(embedding) : pour corriger les données physiques.• Influence des valeurs de bruits sur l’efficacité de reconstruction• Simulateur rapide : dans le logiciel de STAR• SSD (et SVT) présents lors du run VII (AuAu@200GeV)• Mise en place d’histogrammes de contrôle (QA) en ligne• Analyse des données.

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VIII. Perspectives

• Futur proche : – SVT retiré de STAR définitivement– SSD retiré de STAR pour les 2 prochaines années

• Futur +/- proche (2010) : ré introduction pour le futur détecteur de vertex de STAR (Heavy Flavor Tracker)

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Merci de votre attention

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c.2 Mesure directe : D0 K

• Identification des K+/- et des +/- avec la TPC

• Mesure de la masse invariante

• Soustraction du bruit de fond (mixage d’évènements ou rotationnel)

Distribution en pT des D0 et des électrons non photoniques

Ajustement additionnel

Avant Après bckgd soustraction

nucl-ex/0510063

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c.1 Électrons non photoniques

• Identification des électrons grâce à leur perte d’énergie dans la TPC et les calorimètres.

• Bruit de fond par mesure de la masse invariante e+e-

• Mesure du RAA = dNAA/(TAA*Npp)• Supression plus importante des électrons non

photoniques pour les collisionds les plus centrales : – Perte d’énergie élevée des quarks lourds dans

le milieu.

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Collisions de protons polarisés

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Comparatif SPS/RHIC/LHC

Collisions centrales Pb-Pb

(ou Au-Au )

√SNN

(GeV)

dN/dy 0

(fm/c)

(à 1fm/c)

(GeV/fm3)

[1]

PQG

(fm/c)

f

(fm/c)

SPS 17 400 1 3 <2 10

RHIC 200 850 0.2 5 2-4 20-30

LHC 5500 2000-8000

0.1 16-64 >10 30-40

Schukraft, Nucl. Phys. A698 (2002) 287.

[1] :

49/43

e.1 Une Échelle

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e.2 Conception d’un Module

•768 Pistes en Si de 15 m espacées de 95 msur chaque face•300 m d’épaisseur•Angle stéréoscopique 15 mrad•Tension de déplétion ~ 50 V

•Circuit électronique A128C : faible consommation, faible bruit•Connexion par ruban TAB

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Refroidissement par air

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Installation dans STAR

2002 2003 2004

1 échelle 10 échelles 20 échelles

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e.3 Méthode

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Alignement

• Afin d’atteindre l’objectif sur la précision de la DCA des traces un alignement

précis de l’ensemble (TPC+SSD+SVT) est requis

• Méthode [1]: Alignement global et local utilise les

résidus : XG,Lhit - XG,L

trace et un vecteur de 6 paramètres définissant le

désalignement (3 rotations+translations)• Résultats : réévaluation des erreurs

associées aux points d’impacts Résolutions du SVT :

XY = 49.5 +/- 5mZ = 30 +/- 7m

Résolutions du SSD:XY = 30 +/- 7mZ = 742 +/- 41m

[1]:Margetis et all,Alignment experience in STAR. LHC detector alignment workshop,2006

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Cas des traces inclinées

Pistes de lectureFace P

Face N

VBias

E

+++

+

+

++

++

+

+

+

+

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Perte d’énergie

• La taille de amas de charge augmente pour les faibles pT.

• La perte d’énergie associées aux points d’impacts augmente pour les faibles pT.

• Possible contribution du point du SSD au dEdx de la trace calculée par la TPC.

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Simulateur rapide

Inactive Triangle area

Efficacité en fonction de l’impulsion

Efficacité en fonction de l’angle azimutal

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b. Masse invariante - -pp

Pas de points d’impacts dans le SVT et SSD

Point d’impactdans le SSD

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essais

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VI Reconstruction des particules étranges

particule fille positive

particule fille négative

Longueur de décroissance du KS

0,

Vertex primaire

particule fille positive

particule fille négative

Longueur de décroissance du V0

Vertex primaire

Longueur de décroissance du ,

bachelor

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I. Motivation

• QGP• Mesure des saveurs lourdes : bonne signature car

production juste après la collision• Mesure du charme ouvert pour séparer contribution quarks

b et c • Direct topological identification : difficile car c petit

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a. Le Plasma de Quarks et de Gluons

• État dans lequel les quarks et les gluons, constituants de la matière nucléaire sont déconfinés.

• Aurait existé lors des 1iers instants de l’Univers

• Existerait actuellement sous des formes difficilement accessibles expérimentalement : les étoiles à neutrons

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II. Expérience

• Relativistic Heavy Ion Collider• Solenoid Tracker At RHIC• Silicon Vertex Tracker• Silicon Strip Detector :

– Motivation– Composantes– Intégration

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d. Silicon Strip Detector

• Détecteur en silicium double face à micropistes

•Les électrons et les trous sont collectéssur des pistes en silicium sur chaque facedu détecteur

• Couche placée à 23 cm• 20 échelles de 16 modules• 0.5 Millions de canaux• S~1 m2

Dimension d’un module 73 x 42 mm2

Résolutions spatiales r/ = 25mz = 800m

•Longueur de radiation :1.1%X0

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d.1 Points d’impacts reconstruits

Type 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

X 85.7 2.9 3.8 0.7 0.5 1 0.9 1.7 1.2 0.6 1

1 86.2 2.7 3.7 0.5 0.5 1 0.9 1.7 1.1 0.6 0.9

2 88.8 1.8 3.2 0.2 0.2 0.9 0.9 1.7 0.9 0.4 0.8

3 89.7 1.4 3.0 0.1 0.2 0.9 0.9 1.7 0.7 0.3 0.8

• 8 hits /détecteur = limite supérieure•Majorité de cas non ambigus environnement en amas diminue

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c.3 Résoudre les ambiguïtés • Les pistes sont inclinées d’un angle afin de

réduire le recouvrement.• Dans le SSD de STAR, la valeur de a été

suivant un compromis entre la dégradation des résolutions (selon r/ et z) et le nombre d’ambiguïtés.

= 35 mrad recouvrement = 15 pistes• permet de reconstruire 90 % des cas.

• Choix du couple de points (A,C) ou (B,D)

le plus probable : calcul de la distance de chaque point avec la droite de corrélation parfaite.

p(1) = p(A) * p(C)

p(2) = p(B) *p(D)

= 35 mrad

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