2. Canaux `a ´ electrons dans Atlas
2.3 Physique des saveurs lourdes
L’´etude la production de quarks lourds (charme, beaut´e et top), mettant en jeu leurs masses, permet d’aborder les pr´edictions du Mod`ele Standard `a un ordre perturbatif ´elev´e et de donner de nouvelles informations sur les effets de QCD `a longue distance. La section efficace totale de production du charme est d’environ 7,8 mb, celle de la production de b est de 0,5 mb. La section efficace de production d’une paire de top n’est quant `a elle que d’environ 0,8 mb.
2.3.1 La production de quarksbetc
La production de charme et de beaut´e sera l’une des plus copieuses sources de hadrons au LHC. Le nombre d’´etats de quarkonium comme le J/ψ ou l’ϒ sera de mˆeme tr`es important. Les modes de d´esint´egrations en deux leptons permettra s´eparer de mani`ere relativement ais´ee ces ´ev´enements d’un bruit de fond hadronique tr`es important. En compl´ement du Z0→ e+e−, ces d´esint´egrations permettront d’´etablir une ´echelle d’´energie commune au d´etecteur interne et au calorim`etre ´electromagn´etique. Elles permettront de v´erifier l’´etalonnage et la lin´earit´e du calorim`etre, et ce pour des ´electrons dans une gamme d’´energie plus basse. En plus de ces motivations exp´erimentales, la production d’´etats de quarkonium lourds est d’une grande im-portance pour les ´etude de ph´enom´enologie pour tester la chromodynamique quantique. En particulier des mesures de CDF [90] ont montr´e il y a quelques ann´ees un exc`es dans la pro-duction directe de J/ψ quit ont amen´e une r´evision des mod`eles de production. De plus amples d´etails sur les ´etudes sur la production de quarkonia dans Atlas peuvent ˆetre trouv´es dans [91]. Dans les canaux de d´esint´egration en di´electrons, la section efficace int´egr´ee pour la production directe de J/ψ (ϒ) apr`es le d´eclenchement au niveau un sur les deux muons, avec un pT >3 GeV/c, est de 116 nb (48 nb). La d´etection de ces ´ev´enements n´ecessite la mise au point d’un
2.3. PHYSIQUE DES SAVEURS LOURDES
d´eclenchement sp´ecifique `a partir de deux amas ´electromagn´etiques de bas ET au niveau un1).
Programme de physique duB
La fraction d’´ev´enements d’Atlas contenant une paire b ¯b est attendue `a environ 1%. Durant la p´eriode de basse luminosit´e, les paires b ¯b seront produites `a un taux d’environ 106Hz, mais seules environ 10 Hz pourront ˆetre ´ecrites sur bandes pour le programme de physique du B. Le syst`eme de d´eclenchement pour la physique du B est essentiellement d´evelopp´e autour du d´eclenchement sur deux muons dans l’´etat final. Ces paires b ¯b s´electionn´ees sont produites typiquement `a des impulsions transverses moyennes dans la r´egion centrale en rapidit´e. En comparaison des usines `a B, le LHC peut ´etudier les d´esint´egrations rares du B0s (B0s →φγ,
B0s →φµ+µ−...) et duΛb(Λb→ΛJ/ψ,Λb→Λµ+µ−...), les d´esint´egrations rares des m´esons
B0d,s ayant des rapports d’embranchement particuli`erement faibles (≤ 10−9) comme le B0d,s→
γµ+µ− et le B0d,s→µ+µ− ainsi que la mesure, avec une grande pr´ecision, des distributions diff´erentielles pour les d´esint´egrations semi-leptoniques des B0d,s qui sont tr`es sensibles aux extensions du Mod`ele Standard. Si la plupart des ´etudes ont ´et´e jusqu’`a lors effectu´ees avec des muons dans l’´etat final, de nombreuses ´etudes similaires pourront l’ˆetre en utilisant les d´esint´egrations J/ψ → e+e−. En effet, comme les m´esons B sont produits par paires, il est alors possible d’utiliser le muon provenant de la d´esint´egration semil-leptonique d’un des B et de regarder la d´esint´egration J/ψ → e+e− dans l’´ev´enement. C’est le cas des analyses sur les ´etudes de violation de CP, qui pourront ˆetre ´etalonn´ees au tout d´ebut grˆace `a la mesure pr´ecise de sin(2β) avec B0
d → J/ψKs. Ensuite, des canaux plus int´eressants, sensibles `a la nouvelle physique, comme le B0s → J/ψφ, permettront d’acc´eder `a l’angle γ, `a la diff´erence de largeur
∆Γset au param`etre de m´elange xs=∆ms/Γs. Enfin, et en particulier pour ce qui nous concerne, ces J/ψ seront tr`es importants pour les ´etudes d’´etalonnage du calorim`etre ´electromagn´etique car ils sont produits en grand nombre et le d´eclenchement est plus ais´e que pour la production directe. Un bref r´esum´e du programme de physique du B peut ˆetre obtenu dans la r´ef´erence [92] et dans le chapitre correspondant du TDR [93].
Etiquetage des quarksb
Les d´esint´egrations du quark top, du boson de Higgs et de particules supersym´etriques impliquent souvent la pr´esence d’un quark b dans l’´etat final. Une technique efficace pour s´electionner des ´ev´enements avec des hadrons beaux consiste `a ´etiqueter la pr´esence d’un lepton issu de la d´esint´egration semileptonique du quark b. Les leptons produits sont alors de petite im-pulsion transverse, localis´es dans des jets. Comme nous le verrons au chapitre 5 cette m´ethode permet d’obtenir de bonnes performances. Toutefois elle est fortement p´enalis´ee par le faible
1)Les premiers r´esultats sont attendus dans la r´ef´erence [108].
2.
CANAUX `A ´ELECTRONS DANS ATLAS
rapport d’embranchement b→ e ou b → c → e2). Cette m´ethode servira ainsi `a compl´eter les performances obtenues avec les m´ethodes utilisant la reconstruction des vertex secondaires, ou tout au moins `a les v´erifier.
La reconstruction des ´electrons dans les jets ne se limite cependant pas `a l’´etiquetage des jets de b. En effet, les d´esint´egrations semileptoniques des quarks b et c seront l’une des principales sources d´electrons, permettant de nombreuses ´etudes d’´etalonnage.
2.3.2 Production de quarks top
Dans un collisionneur proton-proton comme le LHC, les quarks top peuvent ˆetre produits soit par production c´elibataire ´electrofaible, comme r´ecemment mis en ´evidence au Tevatron, soit par production par paires, `a travers l’interaction forte. Avec une section efficace de produc-tion de paires t ¯t pr´edite `a 833 pb, le LHC va produire environ huit millions de paires t ¯t par an, dans sa phase de basse luminosit´e. Une mesure pr´ecise de la masse de cette particule permettrait d’accroitre la pr´ecision des incertitudes dans les calculs th´eoriques, ainsi que de contraindre la masse du boson de Higgs. Dans le Mod`ele Standard le quark top se d´esint`egre quasi exclusi-vement en t→ W b. Dans environ les deux tiers des cas, les deux bosons W vont se d´esint´egrer hadroniquement en paires de jets ou au moins l’un des W se d´esint´egrant en W →τν. Ces ´ev´enements, s’ils sont nombreux, sont toutefois difficiles `a extraire parmi un bruit de fond de jets QCD important. Le canal “en or” est celui o`u un seul des W se d´esint`egre semiletonique-ment, en un ´electron ou un muon. Un lepton ´energ´etique associ´e `a une grande ´energie transverse manquante est une signature tr`es claire permettant un rejet important du bruit de fond. Le canal o`u les deux W se d´esint`egrent semileptoniquement a un rapport d’embranchement faible (envi-ron 5%), mais aussi un bruit de fond peu important, essentiellement dˆu au Z. Ici la pr´esence des deux neutrinos dans l’´etat final rend la mesure de la masse invariante plus difficile.
Le groupe du LPNHE a entam´e voici pr`es de deux ans un programme de recherche visant `a mesurer, avec les premi`eres donn´ees du LHC, la masse du quark top dans le canal en dileptons. Le chapitre 6 r´esume quelques travaux pr´eparatoires auxquels j’ai particip´e.
2)Les mesures des rapports d’embranchement [94] pour ces d´esint´egrations sont Br(b → l−) = (10, 71±0,22)%,