Rapport de stage Master 2 Recherche Physique et

Rapport de stage Master 2 Recherche Physique et Technologie option
Subatomique
Contribution `a la pr´eparation des algorithmes de reconstruction pour le
d´emarrage de l’exp´erience CMS au LHC (CERN)
Nicolas Chanon
Responsable : Suzanne Gascon-Shotkin
27 juin 2007

Remerciements
Je tiens `a remercier Suzanne Gascon-Shotkin, pour avoir accept´e d’ˆetre ma tutrice de stage, pour ses
conseils et ses id´ees durant toute la dur´ee du stage, ainsi que pour sa bonne humeur `a toute ´epreuve.
Je remercie ´egalement Morgan Lethuilier, pour ses remarques et ses r´eponses aux questions que j’ai pu
lui poser `a propos du d´etecteur et de la physique des hautes ´energies, ainsi que les autres membres du groupe
CMS de l’IPNL.
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Table des mati`eres
1 Pr´esentation du d´etecteur 4
1.1 LeCERN ............................................... 4
1.2 LeLHC ................................................ 4
1.2.1 Fonctionnement du LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Les grandeurs caract´eristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Le d´etecteur CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Le trajectographe (tracker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Le calorim`etre ´electromagn´etique (ECAL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3 Le calorim`etre hadronique (HCAL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.4 L’aimant ........................................... 9
1.3.5 Les chambres `a muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.6 Le syst`eme de d´eclenchement (trigger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 La physique du boson de Higgs 11
2.1 Le mod`ele standard et ses limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Le Higgs dans le mod`ele standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Le lagrangien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 G´en´eration du Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Le Higgs au-del`a du mod`ele standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Le Higgs au LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 Production du boson de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 D´esint´egration du boson de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Le canal Z →µµγ 18
3.1 Bremsstrahlung de photons par les muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Importance du canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 L’´etude des gammas FSR pour la calibration des photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.1 S´election des photons FSR dans le processus Z+jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 Le bruit de fond γ+jets ................................... 23
3.3.3 S´election des photons ALPGEN dans le processus Z+γ................. 24
3.4 Influence des gammas de bremsstrahlung interne sur la calibration des photons, via Z+γ→µµγ
et de la d´ecouverte du boson de Higgs par H→4l ......................... 27
3.4.1 Reconstruction du pic de masse du Z `a trois corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2 H →ZZ(*) →4leptons ................................... 29
A Sections efficaces 32
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Introduction
Ce stage a ´et´e effectu´e sur le campus de l’Universit´e Claude Bernard (Lyon 1), `a l’Institut de Physique
Nucl´eaire de Lyon (IPNL), dans le groupe CMS-ECAL de l’institut. Ce groupe participe `a la mise en service
et `a la pr´eparation des algorithmes de reconstruction du calorim`etre du d´etecteur Compact Muon Solenoid
(CMS), un des deux d´etecteurs de l’acc´el´erateur de particules Large Hadron Collider (LHC), sur le site du
CERN `a Gen`eve. J’ai ainsi ´et´e amen´e `a participer `a plusieurs r´eunions au CERN.
Le but du stage ´etait de contribuer `a la programmation d’algorithmes capables de reconstituer virtuelle-
ment les particules produites lors de collisions dans l’acc´el´erateur, afin entre autre de d´ecouvrir de nouvelles
particules et d’am´eliorer la connaissance des particules d´ej`a connues. J’ai pour ma part travaill´e sur le pro-
cessus de d´esintegration Z→µµγ pour plusieurs raisons : la fixation de l’´echelle d’´energie des photons et
l’am´elioration de la pr´ecision sur la mesure directe de la masse du Z (boson de jauge neutre de l’interaction
faible). Le travail contribuera `a la d´ecouverte du boson de Higgs s’il existe, en permettant d’am´eliorer la
sensibilit´e de l’exp´erience au signal H→ZZ(*)→4 leptons. Par ailleurs le processus Z→µµγ constitue un bruit
de fond exp´erimental important, lorsque le photon se convertit en une paire ´electron-positon. Le boson de
Higgs n’a pas encore ´et´e observ´e aujourd’hui, bien que son existence soit pr´evue par le mod`ele standard de
la physique des particules. En raison de l’´energie `a laquelle il devrait fonctionner, le LHC devrait permettre
de l’observer `a terme, si ce n’est d`es sa mise en fonctionnement en 2008.
Dans une premi`ere partie, je pr´esenterai le d´etecteur CMS, qui est un des deux d´etecteurs du LHC au
CERN. J’aborderai ensuite une partie plus th´eorique qui concernera la physique du boson de Higgs, et o`u
j’exposerai bri`evement le mod`ele GWS de l’interaction ´electro-faible avant d’examiner dans la pratique, au
LHC, quelles possibilit´es de canaux se pr´esentent pour d´etecter le boson de Higgs. Enfin, la derni`ere partie
traitera plus sp´ecifiquement du canal Z→µµγ dont les donn´ees sont fournies par la simulation. Le travail
effectu´e a consist´e `a rechercher quels crit`eres peuvent ˆetre appliqu´es aux photons reconstruits pr´esents dans
un ´ev`enement, pour s´electionner avec une grande efficacit´e les photons produits par bremsstrahlung dans le
calorim`etre par un muon venant d’un Z. La masse du Z ´etant ´egale pour ce processus `a la masse invariante
du syst`eme µµγ, la bonne connaissance des propri´et´es de ces photons permettra une calibration pr´ecise qui
corrigera cette masse par rapport `a la masse r´eelle du Z, et en tirera les corrections en ´energie `a appliquer
`a tous les photons.
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Chapitre 1
Pr´esentation du d´etecteur
Le d´etecteur CMS est, avec ATLAS, l’un des deux d´etecteurs que comporte le LHC, au CERN pour les
exp´eriences g´en´eralistes de physique des particules. Apr`es un bref aper¸cu du CERN, nous pr´esenterons le
LHC et son fonctionnement ainsi que quelques grandeurs qui le caract´erisent, avant d’exposer la structure
du d´etecteur CMS.
1.1 Le CERN
Le CERN, nomm´e anciennement Conseil Europ´een pour la Recherche Nucl´eaire, est aussi appel´e Labo-
ratoire Europen pour la Physique des Particules. C’est un centre de recherche de physique des particules,
actuellement le plus grand au monde, qui est situ´e pr`es de la fronti`ere franco-suisse, `a cˆot´e de Gen`eve. Il
s’agit d’une coop´eration internationale et pas seulement europ´eenne, qui a ´et´e cr´e´ee en 1952 `a la suite d’une
id´ee que Louis de Broglie avait ´emise trois ans auparavant.
Pour ´etudier la structure de la mati`ere, le CERN r´ealise des exp´eriences avec des acc´el´erateurs de par-
ticules, qui portent les particules `a des vitesses proche de celles de la lumi`ere, et des d´etecteurs, outils qui
permettent de rendre visible ces particules aux exp´erimentateurs.
1.2 Le LHC
Le LHC (Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons), est un collisionneur de particules
lourdes, les hadrons, qui entrera en service en 2008. Le LHC est construit sur le site de son pr´ed´ecesseur, le
LEP (Large Electron Positron), qui faisait collisionner un faisceau d’´electrons avec un faisceau de positons.
Le LHC est install´e dans un tunnel d’une circonf´erence de 27 km, enfoui `a une profondeur variant de 50 m
`a 170 m, et est enti`erement refroidi `a 4 K pour permettre l’usage des aimants supra-conducteurs.
Le LHC sera capable de proc´eder `a des collisions proton-proton `a une ´energie de 14 TeV dans le centre
de masse, et des collisions plomb-plomb `a une ´energie de 1150 TeV. Chacun des deux faisceaux de proton
est acc´el´er´e dans le sens inverse de l’autre, dans des tubes `a vide s´epar´es, avec chacun une ´energie de 7 TeV.
Le LHC est en fait compos´e d’une s´erie d’acc´el´erateurs qui portent progressivement la vitesse des protons
jusqu’aux 7 TeV.
Le but du LHC est la compr´ehension plus fine du mod`ele standard de la physique des particules, et
en particulier la d´ecouverte attendue du boson de Higgs, que le LEP avait seulement pu caract´eriser par
la borne inf´erieure de sa masse, 114 GeV. La mise en ´evidence ´eventuelle de certaines failles du mod`ele
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