Slides - indico in2p3

Recherche et étude de la
désintégration du boson de Higgs
dans le canal en 4 électrons dans
l’expérience ATLAS
Fany Dudziak
Directeurs de thèse : L. Iconomidou Fayard, RD. Schaffer
Journées Jeunes Chercheurs 2008
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Plan
o Le LHC : expériences, physique recherchée, le Higgs
o Le détecteur ATLAS, son calorimètre
o L’analyse Higgs en e+e- e+e- dans ATLAS
o Les électrons dans ATLAS, le Bremsstrahlung et les
bas Pt. Comment améliorer l’efficacité de
reconstruction?
o Perspectives à court et long terme
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L’équipe ATLAS du LAL
o Le LAL (Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire) est
une UMR située sur le campus d’Orsay de l’Université Paris Sud.
o On y étudie la physique des particules et des neutrinos, la
cosmologie et les astro-particules.
o L’équipe ATLAS au LAL se compose aujourd’hui de 36 membres
dont 8 doctorants et 2 post docs.
o Activités du groupe:
o Historiquement : Participation à la conception du calorimètre
électromagnétique et de son électronique, puis à sa construction
o Aujourd’hui :
o Suivi de la stabilité de l’électronique du calorimètre
o Physique: recherche du boson de Higgs dans différents canaux de
désintégration, recherche de SuperSymétrie.
o Grosse contribution dans le software de l’expérience
o Mesure de la luminosité au LHC
o R&D Super LHC
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Le LHC
 LHC = Large Hadron Collider, situé au CERN près de Genève.
 LHC : collisionneur p-p de :
-> 27 km de circonférence,7 (5) TeV par faisceau  14 (10) TeV
dans le centre de masse.
Alice
-> luminosité: 1ère phase : 10 fb-1/an
ATLAS
CMS
2ème phase 30 fb-1/an
LHCb
 4 expériences :




ATLAS
CMS
LHCb
Alice
Expériences généralistes
(recherche du Higgs, SUSY…)
Violation CP, physique des b
Etude du plasma quarksgluons (ions lourds)
4
La Physique dans ATLAS et CMS
 Mécanisme de Higgs pour faire apparaître la brisure de symétrie
électrofaible et la masse des particules élémentaires dans le MS
 Boson de Higgs pas encore observé.
 Il existe des contraintes sur la masse du Higgs:
 contraintes directes données par
 le run 2 de LEP :
 mH > 114 GeV.
 Contraintes indirectes données par ajustement des paramètres du
Modèle Standard (mesures de précision : mt, mW; corrections
radiatives …)
 mH < 154 GeV à 95% de C.L
 Physique au-delà du Modèles Standard : SuSy, Extra-dimensions….
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Le Boson de Higgs au LHC
 Le Higgs sera produit au LHC via essentiellement la fusion de gluons
et la fusion de bosons vecteurs (VBF)
 Le Boson de Higgs se couple préférentiellement aux particules les plus lourdes
 Les différents canaux de désintégration par
lesquels on pourra rechercher le Higgs
standard et l’étudier sont:






Limite 114 GeV
H  bb
H  ττ
H  γγ :
H  ZZ(*)  4l
H  WW(*)  2l2ν
…..
 Le canal en 4 leptons couvre une
grande région en masse à partir de
~130 GeV
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Le détecteur ATLAS
ATLAS : A Toroïdal LHC ApparatuS, détecteur cylindrique de 44 m
de long et 22 m de large.
Il est composé de :
 Un détecteur interne de traces
 Un aimant solénoïde de 2T
 Un calorimètre
électromagnétique
 Un calorimètre hadronique
 Un aimant toroïdal de 0.5T
dans le tonneau et 1T dans les
bouchons
 Un spectromètre à muons
La collaboration : 1900 physiciens de 35 pays venant
de 164 universités et laboratoires
→ travail d’équipe.
7
Le calorimètre
électromagnétique (1)
ATLAS a choisi la calorimétrie à Argon liquide pour sa tenue aux
radiations (stabilité de la réponse et calibration « facile »)
•
Calorimètre à échantillonnage plomb argon liquide :
– Alternance de couches d’absorbeur en plomb et d’électrodes baignant dans
l’argon liquide le tout en forme d’accordéon
E
10%

 0.7%
E
E
(Geant 4)
Bonne résolution :
Particule
incidente
Repère utilisé :
•  angle dans le plan orthogonal à l’axe du faisceau
•  = -ln(tan(/2)) pseudo rapidité
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Le calorimètre
électromagnétique (2)
3 Compartiments
1. Strips : granularité fine pour rejeter les π°
2. Middle : le plus grand compartiment, sert à mesurer
la majorité de l’énergie
3. Back : permet de mesurer le
reste du dépôt et de rejeter les
Segmentation
jets
du calorimètre
Bonne granularité, segmentation
(pointing des particules neutres)
Middle
+ pré-échantillonneur  évaluer les
pertes d’énergie avant le calorimètre
Strips
Back
9
L’analyse Higgs en 4 électrons (1)
Processus H  ZZ*  e+e- e+e• 4 e avec Pt > 5 GeV et |η| < 2.5 sans dépôt dans le calorimètre hadronique
• Isolation Calorimétrique
Pour rejeter les jets
• Isolation de traces
• Reconstruction du vertex
e+
e+
e-
Z
|(mZ)mes - (mZ)| < 15 GeV
e-
Z(*)
mH
 Résonance??
NB : Quand on reconstruit la masse invariante :
soit on trouve une résonance => 4e viennent de la même particule
soit on trouve un continuum
10
Bruits de fond au Higgs en 4 électrons
Bruits de fond pour le canal :
• Irréductible : ZZ* 4e, principale source de bruit
 Même signature que le signal
• Réductible :
• Zbb  e+e- + 2(b->e+…)
• tt  2e + 2(b->e+…)
• Zjj
Réductible avec une
bonne isolation des
électrons
1 evt(H4l)/fb-1 à
130 GeV
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Efficacité de reconstruction des électrons
efficacité
efficacité
Efficacité de reconstruction des électrons :
Pt (GeV)
|η|
 Pertes importantes d’efficacité à bas Pt et à grand η : problématique
pour la recherche du Higgs si sa masse est petite
Beaucoup
d’électrons ont un
Pt < 15 GeV
Pour un Higgs
de 130 GeV
12
Pertes d’efficacités pour les électrons de bas Pt
But :
- identifier les causes de pertes d ’efficacité à bas Pt
- chercher des moyens de récupérer ces électrons.
Pertes à bas Pt : dues au Bremsstrahlung :
- électron tourne +
- P + difficile à estimer
 Cas idéal
Trace loin du dépôt électromagnétique
 Fort élargissement du dépôt d’énergie
Perte de qualité
 perte de la trace quand le rayonnement emporte
trop d’énergie
 électron reconstruit comme un photon
Perte de
trace13
Le rayonnement Bremsstrahlung dans les
évènements H4l
Pour un Higgs
de 130 GeV
Fraction d’énergie rayonnée
•
•
Les électrons peuvent perdre beaucoup d’énergie en rayonnant
η
|η| !!!
La quantité de brem rayonnée est proportionnelle à la quantité de matière
en amont du calorimètre
14
Electrons reconstruits comme photons (1)
Dépôt γ
Dans un échantillon H4e à 130 GeV
- 100 électrons générés
- 85 reconstruits
- 15 manquent dont 14 trouvés en tant que photons
(convertis ou non)
Trace mal reconstruite
 Création d’un outil : récupération
des électrons identifiés comme
photons
ΣEγi/Ee(gen)
~14% de perte d’efficacité due à
cette mauvaise identification.
15η
Outil de récupération des électrons
Recette:
• Chercher une trace en face du dépôt d’énergie
• Recalibrer le cluster comme un électron (e et γ calibrés différemment)
Impact de l’outil sur la reconstruction : (évènements H4e à 130 GeV)
• +6.5% d’électrons reconstruits
Ereco/Egen
η electrons
Pt electrons
 Récupération d’électrons de bas Pt et de grand η
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Effet du brem sur les coupures standard
Dépôt em élargi
Le brem élargit les gerbes em suivant φ (champ
magnétique)
Δφ(tr-cal) : différence entre le φ mesuré au
calorimètre et le φ mesuré par la trace, extrapolée au
calorimètre:
 impulsion trop faible /E
Trace a trop
tourné
1%
7%
Δφ(tr-cal)
coupure
Pt(GeV)
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Electrons rejetés par les coupures standard à
cause du brem
Solutions :
 Redéfinir de Δφ par une extrapolation qui utilise l'énergie
calorimétrique au lieu de l'impulsion mesurée de la trace (=> E
est mieux mesuré en cas de Brem)
 On s’affranchit du brem (du P mal estimé)
Bruit de fond jets :
- Distribution de base élargie (dépôt
+ gros pour les jets)
- Nouvelle distribution permet une
bonne réjection car plus large
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Conclusion et perspectives
• Perspectives:
•Etude de l’effet de ces nouvelles coupures sur le
bruit
•Etude de l’impact de ces nouvelles coupures sur la
reconstruction des évènements Higgs en 4 leptons.
•Améliorer de façon générale l’efficacité de
reconstruction des électrons
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Les détecteurs de traces
• Composé de plusieurs détecteurs:
1) Le détecteur à Pixels : identification des vertex secondaires (quarks b)
• Dont une couche très près du faisceau (b-layer) :
2) Le SCT à piste de silicium (Semi Conductor Tracker, 4 couches)
3) Le TRT (Transition Radiation Tracker ) :
Donne l’angle, la direction des
particules mais reconstruit mal
l’impulsion à cause des effets de
matières.
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