Re onstru tion des éle trons et des photons

Lorsqu'un éle tron ou unphoton dépose sonénergie dansle alorimètre,l'énergie est d'abord re on-struite en  lusters (amas de ristaux), avant quele lusterne soitidentié ommeétantun éle tronou un photon. La présen edu hampmagnétique de CMS ourbe la traje toire deséle trons selon

φ

.Dans la matièrepla ée devant le alorimètre (letraje tographe, voirs héma 1.12),leséle trons peuvent émet-tre des photons par bremsstrahlung, qui tendent à s'étaleren

φ

. Pour ette raison, les ristaux d'abord sont regroupés en basi - luster, eux-mêmes regroupés en super- lusters pour ré upérer les photons de bremsstrahlung. Diérentes orre tions sont appliquées pour palier aux inévitables pertes d'énergie induites par le pro édéde lusterisation. C'est seulement ensuiteque l'identi ation deséle trons et des photons peut avoir lieu.

Fig. 1.12 Quantité de matièredans letraje tographe, expriméeen longueursde radiation, en fon tion de

η

[15 ℄.

La lusterisation

Le tonneau et les bou hons né essitent des algorithmes de lusterisation adaptés, du fait du taux d'o upation diérentdanslesbou honsetdansletonneau;le hampmagnétiquen'yestpaslemême,et laquantité dematièreprésentedevant lesbou honsestplusimportante.L'algorithme hybrid estutilisé dansle tonneau, tandis quel'algorithmemulti5x5 est utilisédans lesbou hons[35 ℄.

Clusterisation dans le tonneau : algorithme hybrid

L'algorithme hybrid aété onçupourpermettreunere olle tione a e desphotonsdebremsstrahlung émis par les éle trons (issus ou non d'une onversion) étalés selon

φ

.L'idée est de olle ter l'énergie par re tangles de ristauxétendus en

φ

et onstant en

η

.L'algorithme opère ommesuit :

-L'algorithme séle tionneles ristaux lassés parénergietransversedé roissante.Pour ha und'eux(non en ore in lus dans un luster), il teste si l'énergie transverse est supérieure à un seuil

E_T > E_T^hybseed

(

E_T^hybseed= 1

GeV). Sitelest le as,le ristal estun germequi initie lepro essusde lusterisation. - Un domino de

5 × 1

ristauxest onstruit autourdu ristalgerme en

η × φ

.

- Tant que l'énergie du domino est supérieure à un ertainseuil

E_domino > E_thresh

(

E_thresh = 0.1

GeV), unnouveaudominoave

φ

in rémentéd'un ristalest onstruitpourlesmêmesvaleursde

η

.Lepro essus est répétéau maximum sur17 ristaux en

φ

.

- Le pro essus est répété pour tous les ristaux germes(et qui peuvent être très séparés en

φ

du ristal de plus haute énergie) :voir s héma 1.13. Le regroupement de tous es amas en un super- luster assure la ré upéra tiondesphotons de bremsstrahlung.

Fig. 1.13 S hémadu pro édéhybrid de lusterisation dansletonneau.

Clusterisation dans les bou hons : algorithme multi5x5

L'algorithme multi5x5 a été onçu pour être adapté à la géométrie des bou hons, qui n'ont pas une symétrie de révolution en

φ

omme le tonneau. La ré upération des photons de bremsstrahlung est i i ee tuée en permettant ausuper- luster d'avoirune extension variableen

η

-

φ

:

- L'algorithmeséle tionneles ristaux lassés parénergietransversedé roissante.Si

E_T > E_T^seed

(

E_T^seed =

0.18

GeV) le ristal initielepro essus.

- Sil'énergie du ristal est supérieure à ses voisins de gau he, droite, haut etbas (maximumlo al d'én-ergie) ilestséle tionné ommegerme etonpasse au ristal suivant de l'étape1.

- Une fois tous les ristaux germes trouvés, un basi - luster de

5 × 5

ristaux est onstruit autour de ha un d'eux. Si plusieurs basi - lusters se hevau hent, seuls eux qui n'appartiennent pas déjà à un basi - luster dont le germe est plus énergétique sont in lus (voir s héma 1.14). Tous les basi - lusters ontigüs sont rassemblés dansun seul super- luster. L'énergie dans ledéte teurpied de gerbe asso iéeà haque ristaldu super- luster estajoutéeà l'énergiede elui- i.

Fig. 1.14 S hémadu pro édémulti5x5 de lusterisationdansles bou hons.

Corre tions en énergie

Trois typesde orre tions sont appliqués aux super- lusters [35 ℄. Pour le moment les mêmes orre -tions sont appliquées aux photons etaux éle trons, mais e i est appelé à hanger (dans l'idéal il serait né essaire de prendre en ompte la diéren e de omportement desgerbes réées par les éle trons et les photons) :

- En premier lieu, un fa teur

C_EB(η)

est appliqué aux super- lusters du tonneaupour ompenser la perte d'énergie latérale due au fait que les ristaux du tonneau sont légèrement in linés en

η

par rap-portau entredudéte teur.Cette orre tionaété al uléedanslessimulationsetvériéeenfais eautest.

- Une orre tion appelée

f (brem)

est ensuite appliquée pour orriger la perte d'énergie induite par l'ine a itéderé upérationdesphotonsdebremsstrahlungdanslepro essusde lusterisation.Lavariable

brem

estdénie parla formulesuivante :

brem = ^σφ

σ_η ⁼

P

Xtal

q

EXtal

ESC (φ_Xtal− φSC)2

P

Xtal

q

EXtal

ESC (η_Xtal− ηSC)2

σ_φ

et

σ_η

représentent lalargeur de lagerbe dans ladire tion

φ

et

η

.La somme est ee tuée sur ha un des ristaux

Xtal

dusuper- luster,

E_Xtal

est l'énergiedes ristauxet

E_SC

estl'énergiedu super- luster.

σ_φ

estla variablepertinentepour dé rire l'étalement des bremsstrahlung selon

φ

,etest normalisée en

η

pour supprimer ladépendan een énergie(

σ_φ

et

σ_η

varient logarithmiquement ave l'énergie).

f (brem)

est al ulé de telle sorte que le rapport de l'énergie de la parti ule in idente sur l'énergie du super- luster re onstruit

Ereco/EM C

soit égal à1 surtoutlespe tre en

σ_φ/ση

.

- Ladernière orre tion appliquée àl'énergiedessuper- lusters est une orre tion résiduelle

f (E_T, η)

né essaire pour ompenser les pertes d'énergie dans le traje tographe, al ulée de la même façon que

f (brem)

maispar divisions de 2GeVen

E_T

et de0.1en

η

.Pour lemoment

f (E_T, η)

est déterminée par la simulation, mais devrait être mesurée dans les données à l'aide du anal

Z → e⁺e⁻

(la masse du

Z⁰

étant onnue), dès10

pb−1

de luminosité intégrée.

Re onstru tion des photons

A partir des super- lusters, les photons sont re onstruits diéremment si l'énergie déposée est très on entréeautour du ristal deplus hauteénergie (germe) ou non.Ondénit habituellement lavariable topologique

R9 = ^E3×3

ESC

, où

E_3×3

est l'énergie de

3 × 3

ristaux entrés autour du ristal germe, et

ESC

l'énergie orrigéedu super- luster.

l'énergie des ristaux

5 × 5

entrés autour du ristal germe plutt qu'ave l'énergie du super- luster. La position du super- luster est alors par lebary entre des positions des ristaux pondérées par un fa teur tenant ompte de la profondeur estimée de la gerbe. Les grandes valeurs de

R9

sont surtout peuplées par les photons non- onvertis ou ayant onverti très tard dans le traje tographe, qui ne sont pas sujet au problèmes liés au bremsstrahlung. La valeur hoisie de

R9_seuil

est

R9_seuil = 0.94

dans le tonneau et

R9_seuil = 0.95

danslebou hon pour éviter la ontamination des onversions.

- Si

R9 < R9_seuil

, la meilleure résolution est obtenue ave l'énergie du super- luster et la position du ristal germe.Detelsphotonssont engénéral onvertisetleséle trons résultant dela onversionperdent de l'énergiepar bremsstrahlung.

Additionnellement, un traitement spé ial est appliqué pour la re onstru tion des photons onvertis, qui n'utilise pas la variable

R9

maisre her he les tra es asso iéesà la onversion en paire

e⁺

/

e⁻

. Si le photons'est onvertidansletraje tographe, ilestpossible deretrouverlestra esasso iéesàl'éle tronet au positon.La re her he destra esasso iéesauxphotonsest initéeà partir dusuper- luster etee tuée de l'ECAL vers le traje tographe [36℄. Zero, une ou deux tra es peuvent être re onstruites et asso iées au super- luster. Cette information est rendue disponible dans CMSSW mais ne modie pas l'énergie re onstruite desphotons.

En général une énergie transverse minimumest aussidemandée pour la promotion dessuper lusters en photons, ar les orre tions en énergie ont été optimisée pour

E_T > 10

GeV. Il est à noter que par défaut, les photons re onstruitspar les algorithmes in luent aussiles super- lusters qui ont été identiés omme appartenant à unéle tron etil onvient de nettoyerla olle tion enles supprimant.

A e stade le taux de photons re onstruits provenant de la désintégration de

π⁰

et de

η

(ou même de dépts d'énergie provenant du bruit ou de gerbes hadroniques initiée dans le ECAL par exemple) reste très élevé, spé ialement dansdes pro essus de QCD multi-jets. Les photons re onstruits de signal (photons prompts ISR/FSRou partoniques)peuvent êtreidentiés ave plusde probabilité(et uneplus grande pureté)par appli ation de ritères de séle tion supplémentaires surlesvariablesd'isolation,telles que l'énergie transverse des ristauxdans le ECAL,des tra es dansle traje tographe ou des tours dans le HCALenvironnant lephoton dansun nede 0,3en

∆R

.

Re onstru tion des éle trons

A la diéren e des photons non- onvertis les éle trons laissent une tra e dans le traje tographe, et e dèsles premières ou hes du déte teur à pixel. L'algorithme de re onstru tion deséle trons [37 ℄ part du super- luster re onstruit et her he le oup dansle déte teur à pixel leplus pro he de la traje toire extrapolée de l'éle tron ompatible ave lepoint d'intera tion. A partir de e germe, les tra espossibles de l'éle tron sontre onstruites en utilisant unalgorithme(appelé GaussianSumFilter) quiee tueun ajustement entre traje toire des tra es attendues et ee tivement re onstruites et qui tient ompte des pertesd'énergie parbremsstrahlung à haqueitération.Latraje toiredonnant lemeilleurajustementest séle tionnée sielle a laissé 5 oupsau minimum dansletraje tographe.

En prin ipe, l'impulsion estimée

p

de l'éle tron en utilisant l'information sur les tra es devrait être égale à l'énergie estimée

E

par la re onstru tion du super- luster. Dans la pratique la distribution

E/p

pique ee tivement en1,maisunelargedispersionestdueauxin ertitudesdelamesure(prin ipalement dues à prise en ompte in omplètedes bremsstrahlung par les deux algorithmes).L'énergie del'éle tron est don al ulée en pondérant

p

et

E

de sorte que larésolution surl'énergie de l'éle tronsoit optimale. A basse (haute) énergie, la résolution sur l'énergie est prin ipalement obtenue par le traje tographe (le alorimètre) et entre les deux régimes (autour de 10-25 GeV) l'in ertitude est issue d'une ombinaison entre lesdeuxinformations.

Une fois les éle trons re onstruits etleur énergie xée,ils sont lassés en quatre atégories :éle tron d'or (golden ele tron) peu ae té par le bremsstrahlung et dont l'énergie est ontenue dans un seul

basi - luster, éle tron de grand bremsstrahlung (big bremele tron) quia émisplusde lamoitié de son énergie par bremsstrahlung, éle tronétroit (narrow ele tron) ayant émisune partie importante de son énergieparbremsstrahlungmaisdontl'énergieest ontenuedansunseulbasi - luster,etéle trondegerbe (showering ele tron) quiémet desphotons debremsstrahlung qui se onvertissent,etpour lesquelsune plusfaiblerésolution enénergieetpositionestobtenue.Cette lassi ationestutiliséepourappliquerdes oupures d'identi ation supplémentaires sur diverses variables (énergie dans un ned'isolation, forme du luster,

E/p

,et )etpermetd'abaisserletauxdefauxéle tronsre onstruits(photons,hadrons hargés ou bruit).

Résultats dans les premières données

Le ECAL est en fon tionnement : après la prise de données de muons osmiques en 2008, le bon fon tionnement duECAL a pu être testé dans les premièresdonnées des ollisions à 900 GeV,2,36 TeV et 7 TeV d'énergie dans le entre de masse. Les résultats publi s obtenus ave les ollisions à 7 TeV peuvent êtretrouvésréféren e[38℄ pour le ommissionage duECAL,référen e[39 ℄ pour la alibrationdu ECALetréféren e[40 ℄pourle ommissionnagedesalgorithmesdere onstru tiondessuper- lustersetdes photons.Notonsqu'ave uneluminositéde123

nb⁻¹

,lapré isionatteintesurles onstantes d'inter alibra-tionestdéjàde1,2%danslapartie entraledutonneau(l'analyseestseulementlimitéeparlastatistique).

Des algorithmes ont aussi été développés pour éliminer les dépts d'énergie anormaux [38℄ de haute énergieobservésdansletonneauduECAL,dé ouvertslorsdespremières ollisions.Lesdonnéesmontrent un ex ès de super- lusters ave une grande énergie transverse, dont le dépt d'énergie est on entré sur un seul ristal (spikes). La sour e de es spikes a été identiée : il s'agit en fait de dépts d'énergie non dansles ristauxmaisdire tement danslevolumesensiblede l'APD,dûsà desparti uleshautement ionisantes (prin ipalement des protons et des ions lourds produits durant les ollisions). Le taux de es évènements estd'environ1 pour 1000 évènementsde biaisminimum. Laprise en omptede e pro essus danslasimulation esten oursd'investigation.

Il est possible d'éliminer es spikes en utilisant des ritères portant sur la forme du dépt d'én-ergie. Notons

E1

l'énergie du ristal de plus haute énergie dans le super- luster et

E4

la somme des énergies des quatre ristaux voisins en

η

-

φ

. Le ritère re ommandé a tuellement dans CMS demande

(1 − E4/E1) < 0.95

. Un ritère plus an ien demandait

|E1/E9 − 1| < 0.95

, où

E9

est la somme des énergies des ristaux

3 × 3

autour du ristal de plus haute énergie. Il est aussi possible de se servir du faitque lesspikes ont unesyn hronisation entemps dépla ée par rapportau roisementde fais eau(ils piquent à -10ns), arla réponse de l'APDest légèrement diérentepour les spikes et pour les dépts d'énergie normaux. Lesdistributions de

(1 − E4/E1)

etde lasyn hronisation des ristauxdeplus haute énergie parévènement sontmontrés gure 1.15.

Fig. 1.15  A gau he, distribution

(1 − E4/E1)

. A droite, syn hronisation en temps du ristal de plus hauteénergie.parévènement,pourdesévènementsayantdesdéptsd'énergieayantuneénergietransverse supérieure à3 GeV, danslesdonnées de ollisionà 7TeV.

Chapitre 2

Physique du boson de Higgs

Depuis sa réation dans la n des années 1960, le modèle standard de la physique des parti ules s'est montré apable de dé rire une large variété des phénomènes physiques aux hautes énergies. Dans le modèle standard, on sépare généralement la matière, onstituée de fermions (quarks et leptons) des intera tions véhi ulées par les bosons. Le modèle standard rend ompte de l'intera tion éle tromagné-tique, faible(rassemblés enune seuleintera tion génériquediteéle trofaible) et forte. Lesquarks sontau nombrede6(

u

,

d

,

s

,

c

,

t

,

b

)plusleurs anti-quarksasso iés,etinteragissentprin ipalementparintera tion forte. Il y a de même 6 leptons (

e

,

µ

,

τ

,et les neutrinos

ν_e

,

ν_µ

,

ν_τ

) plus leurs anti-leptons asso iés, qui interagissent prin ipalement par intera tion éle tromagnétique ou faible. Le photon estle bosonve teur de l'intera tion éle tromagnétique, les bosons

W^±

,

Z⁰

sont ve teurs de l'intera tion faible (le

Z⁰

peut aussivéhi ulerl'intera tionéle tromagnétique)etlesgluonssontlesve teursdel'intera tionforte. Enn, lemodèle standardin lutunmé anismepourbriserlasymétriede l'intera tionfaible etdoter lesbosons

W^±

,

Z⁰

d'unemasse.Cemé anisme,ditmé anismedeHiggs,prédit aussil'existen edubosonde Higgs, parti ule asso iéeà un hamps alaire qui n'apasen ore étédé ouverteà e jour.

Le LHCaété onstruit pourtenter derépondreauxquestions a tuellement ouvertes enphysique des hautesénergie. Laprin ipaleinterrogation on ernel'existen edubosondeHiggs,quiestlaparti ule- lé du modèle standard en e qu'elle est révélatri e de la physique du se teur éle trofaible. Si le boson de Higgsn'existepas,ilfaudratrouveruneautreexpli ationthéoriqueàlamassedesbosons

W^±

et

Z⁰

.Sile bosonde Higgstelqu'ilestdé ritpar lemodèlestandard existe(ous'ilpossèdedespropriétés semblables à elles prédites par le modèle standard), il devrait être observé au LHC ar tout le domaine de masse permispar lathéorie yesta essible.

Ce hapitre débutera ave un bref rappel historique des problèmes théoriques qui ont onduit à la formulation du modèle standard, avant d'exposer plus en détail le mé anisme de Higgs (se tion 2.1.2). Malgré ses su ès, le modèle standard n'est pas exempt de problèmes théoriques et pratiques, qui ont onduitles théori iensàproposerdesalternativesbrièvement passéesenrevuese tion2.1.3.La re her he du bosonde Higgs au LHCsera ensuiteabordéese tion 2.2. Le bosonde Higgs estproduit auLHC lors de ollisionsproton-protonprin ipalementparfusiondegluons,etles anauxdedésintégrationprivilégiés dans lequel il est re her hé dansCMS seront ensuite examinés, ave une attention parti ulière portée à

H → ZZ^∗

et

H → γγ

.Une nouvelle paramétrisationdu anal

H → γγ

au-delà du modèle standardsera aussidé rite.Sil'existen edubosondeHiggsn'atoujourspasétéprouvée,lare her hedubosondeHiggs au LEP apermis de poser une limite d'ex lusion sur samassepar re her he dire te:

m_H > 114.4

GeV, domaine que ouvre les re her hes au LHC.Les re her hes du bosonde Higgs au Tevatron ommen ent aussi à porter leur fruit età aboutir à deslimites d'ex lusion. Un état de l'artde la re her he du boson de Higgs, dire te et indire te, sera dressé se tion 2.3, et les prospe tives pour la re her he du boson de Higgs au LHCseront nalement présentées.

2.1 Le boson de Higgs dans le modèle standard

Dans le document Observation des photons directs dans les premières données et préparation à la recherche du boson de Higgs dans l'expérience CMS au LHC (CERN) (Page 29-37)