1.4 Le détecteur “Compact Muon Solenoïd” : CMS
1.4.7 Objets physiques et premiers résultats des années 2009/2010
2009/2010
Après le déclenchement de haut niveau, l’intégralité des algorithmes de reconstruc-tion va être mise en place pour permettre au chercheur de disposer d’objets “physiques” pour son analyse. Ces objets seront des muons, des électrons, des photons et des jets (en-semble des développements de gerbe hadronique) en fonction des couches du détecteur CMS qu’ils auront traversés :
Les photons ne laissent qu’un dépôt énergétique dans l’ECAL.
Les électrons possèdent une trace dans le trajectographe silicium et un fort dépôt dans l’ECAL s’ils ont un pT suffisant pour l’atteindre.
Les jets peuvent laisser une trace dans le trajectographe silicium mais surtout dé-posent leur énergie dans l’ECAL et le HCAL
Les muons déposent un peu de leur énergie dans les calorimètres mais sont surtout caractérisés par leurs traces :
– ils ont créés une trace dans les détecteurs à muon : ce seront des standalone muons – ils ont créés une trace dans le trajectographe silicium : ce seront des tracker muons – ils ont créés les deux traces précédentes : ce seront des global muons
En plus de ces objets il faut rajouter l’énergie transverse manquante ET qui corres-pond à l’émission de particules n’ayant pas réagi avec le détecteur comme les neutrinos. Comme tous les détecteurs, l’expérience CMS possède des limitations physiques qui se répercutent sur les différentes observables via l’existence de leur résolution. La figure 1.20 permet d’apprécier l’erreur effectuée sur la mesure du pT de la trace de la particule dans le trajectographe au silicium. La reconstruction des muons est plus précise que celle des électrons car ils perdent moins d’énergie en traversant les différents constituants du détecteur et ils émettent nettement moins de rayonnement de freinage.
La résolution relative en énergie, qui est attendue pour le calorimètre électromagné-tique, peut être paramétrée de la forme :
σE E = s √ E ⊕ b E ⊕ c (1.44)
où s est le terme stochastique, b le terme de bruit et c le terme constant.
– le terme stochastique s est lié aux fluctuations statistiques provenant du dépôt d’énergie dans le cristal et de l’amplification par les photo-détecteurs
Fig. 1.20 – Résolution en pT de la trace de l’électron (à gauche) et du muon (à droite) en fonction de la pseudo-rapidité η, les sigles pleins correspondent au σ de l’ajustement gaussien et les sigles vides au RMS des distributions de pT
– le terme de bruit b est la somme du bruit gaussien provenant de la chaîne électro-nique et du bruit d’empilement produit par les nombreux autres dépôts énergé-tiques provenant des particules issues des interactions inélasénergé-tiques à chaque croi-sement de faisceaux
– le terme constant c dépend de la qualité du cristal et de la calibration, les princi-pales contributions sont une calibration non-optimale et des fuites d’énergie dans le cristal.
Après des tests sur faisceaux, le terme stochastique s a été évalué à 2.7% pour le tonneau et 5.7% pour les bouchons pour un intervalle d’énergie compris entre 25 et 500 GeV. Le terme constant a été estimé à c = 0.55% et le terme de bruit à b = 200 MeV. Cela permettra d’obtenir une excellente résolution sur un boson de Higgs se désintégrant en deux photons.
De même la résolution en énergie du calorimètre hadronique a déjà testé sur faisceau pour des pions et a été paramétrée de la sorte [34] :
σE E = 1.19 √ E ⊕ 0.38 E ⊕ 0.04 avec E en GeV (1.45)
Le redémarrage en 2009 du LHC a permis d’effectuer des collisions avec une énergie dans le centre de masse de 900 GeV puis de 2.36 TeV14. À partir du 30 mars 2010, le LHC et l’expérience CMS ont commencé à collecter des données avec une énergie dans le centre de masse √
s = 7 TeV. Ces collisions furent l’occasion de vérifier les différents
algorithmes de reconstruction et de produire la première publication de CMS concernant des données de collisions [35]. Ce papier, qui a pour sujet l’étude des jets issus des collisions inélastiques à diffraction non unique (NSD en anglais), permit dans un premier temps de vérifier la justesse des prédictions provenant des simulations par rapport aux données (Fig. 1.21) en regardant une variable indépendante de l’analyse, de montrer à
1.4. Le détecteur “Compact Muon Solenoïd” : CMS 39 [cm] PV z -20 -10 0 10 20 Fraction of events 0 0.05 0.1 Data 0.9 TeV Data 2.36 TeV PYTHIA 0.9 TeV PYTHIA 2.36 TeV CMS (a)
Fig.1.21 – Position en z du vertex primaire reconstruit à partir des données comparée à la simulation PYTHIA
travers cette analyse des jets la validité de la physique dans CMS comparativement aux expériences précédentes à des énergies comparables15 (Fig. 1.22) et de prendre le relais sur des analyses ayant été mises en place auparavant (Fig. 1.23).
Fig. 1.22 – Distribution des traces char-gées en pseudo-rapidité η pour√
s jusqu’à
900 GeV pour UA5, 2.36 TeV pour ALICE et 7 TeV pour CMS
Fig. 1.23 – Dépendance en énergie dans le centre de masse du pT moyen des jets pour différentes expériences dont CMS
15L’expérience UA5 utilisa des collisions à900 GeV provenant du SPS et les données d’ALICE pro-viennent de la même période de prise de données que CMS
Après un premier démarrage du LHC en 2008 et les premières collisions à 900 GeV puis 2.36 TeV en 2009, le début de l’année 2010 est marquée par les premières collisions 7 TeV soit plus de 15 ans entre la phase de conception et la mise en route finale. Le collisionneur LHC et le détecteur CMS ont été introduits dans ce chapitre afin de pré-senter de manière globale le cadre dans lequel cette thèse s’est déroulée. Le prochain chapitre concernera la reconstruction des germes de traces dans le détecteur CMS et en particulier la mise au point de nouvelles méthodes pour rendre celle-ci plus efficace. Après cette première partie orientée sur la physique du détecteur viendra une seconde partie orientée sur l’analyse des données concernant le quark top et les chapitre 4 et 5 permettront de lier le système de détection, la reconstruction des données simulées et l’analyse des données réelles.
Chapitre 2
Reconstruction des germes de traces
dans CMS
Dans le cadre de la recherche en physique des particules, il est extrêmement im-portant de disposer des trajectoires ou traces des différentes particules produites lors des collisions. À l’heure actuelle, les différentes technologies disponibles ne permettent de reconstruire que les traces des particules chargées. En effet les particules chargées grâce à l’ionisation, qu’elles génèrent en traversant les matériaux, seront repérées dans le détecteur et pourront fournir des indices sur leur charge car en présence du champ magnétique leur trajectoire va se courber. Pour l’expérience CMS, la reconstruction et l’identification des traces sont effectuées au sein du cadre logiciel CMSSW (CMS Soft-Ware)1. Ce chapitre va aborder dans un premier temps le principe de la reconstruction des traces par des détecteur au silicium, telle qu’elle est faite par le trajectographe dans l’expérience CMS, puis se concentrera sur la première étape de la reconstruction des traces, la création des germes, afin de pouvoir développer le travail effectué au cours de cette thèse sur l’amélioration des collections de germes.
2.1 Trajectographie au sein de CMS
La trajectographie au sein de CMS est un rôle qui est principalement dévolu au trajectographe2. Celui-ci utilise deux technologies de détecteurs à silicium, détecteurs à pistes et pixels, pour repérer la position des points de passages (les coups) des par-ticules chargées dans le détecteur. Les coups seront ensuite fournis aux algorithmes de l’expérience CMS pour la reconstruction des traces.
1Les différentes versions du logiciel sont notées CMSSW_X_Y_Z avec X,Y et Z des entiers.
L’incré-mentation de X dénote des changements majeurs, celles de Y des changements pouvant être importants et finalement celles de Z correspondent à des variations mineures ou à des correctifs. Il existe un suf-fixe _preT correspondant à la Tième pré-version. Cette notation correspond au rythme fréquent de changement de version.
2Les chambres à muons ne peuvent fournir qu’une information complémentaire pour les muons.