Dans la section 7.2, la d´efinition d’un candidat ´electron et photon reconstruit dans le calorim`etre est d´etaill´ee.
7.2
Reconstruction des ´electrons et des photons
Une fois l’´energie des cellules du calorim`etre reconstruite pour un ´ev´enement donn´e, il est n´ecessaire de d´efinir les candidats photons et ´electrons proprement dits. Pour cela, les cellules des trois couches du calorim`etre sont regroup´ees en “tours” de ∆η × ∆φ = 0.025 × 0.025 et parcourues par un algorithme `a fenˆetre glissante (sliding window), bas´e sur des fenˆetres de taille fixe 3×5 (soit ∆η×∆φ = 0.075×0.123). Les ´energies des cellules `
a l’int´erieur de chaque tour sont somm´ees et les fenˆetres d’´energie maximale contenant une ´energie totale sup´erieure `a 2.5 GeV sont appel´ees clusters ´electromagn´etiques.
Un cluster ´electromagn´etique associ´e `a au moins une bonne trace reconstruite dans le d´etecteur interne pointant vers un vertex dans la direction du faisceau est class´e dans un premier temps comme candidat ´electron. Dans le cas o`u aucune trace n’est associ´ee au cluster, celui-ci est class´e comme candidat photon non converti. Pour ˆetre associ´ee `
a un cluster, la trace doit ˆetre contenue dans une fenˆetre en ∆η × ∆φ = 0.05 × 0.10 autour du barycentre des d´epˆots d’´energies contenues dans le cluster et son impulsion doit correspondre `a au moins 10% de l’´energie du cluster.
Cependant, il existe ´egalement une fraction importante de photons qui se conver- tissent en paires ´electron-positron en amont du calorim`etre par interaction avec le ma- t´eriel mort du d´etecteur interne (voir la figure 35 de la section 5.3), de l’ordre de 15% dans le tonneau et 30% dans les bouchons. `A ce stade, la grande majorit´e de ces photons est class´ee comme candidat ´electron (' 95%) `a cause de la pr´esence de traces associ´ees. N´eanmoins, leur classement est tr`es d´ependant du lieu de conversion. Par exemple, les conversions tardives s’effectuant dans le TRT ont moins de chance de mener `a un clus- ter associ´e `a une trace, tandis que celles se produisant `a l’entr´ee du d´etecteur interne donnent souvent lieu `a de bonnes traces reconstruites.
Un algorithme d´edi´e est alors ex´ecut´e afin de r´ecup´erer les photons convertis parmi les candidats ´electrons. Celui-ci d´emarre lors de la premi`ere identification des clusters, en recherchant dans le d´etecteur interne la pr´esence d’un vertex secondaire de conversion pour la trace associ´ee. Ceux-ci peuvent ˆetre d´efinis par deux traces reconstruites de signes oppos´es (double track conversion), mais ´egalement par une trace unique lorsque la conversion est tr`es asym´etrique ou si les deux traces sont tr`es proches (single track conversion). La distribution radiale des vertex de conversion dans les premi`eres donn´ees `
a 7 TeV d’ATLAS est pr´esent´ee dans la figure 48 et compar´ee `a la simulation, o`u un bon accord g´en´eral est observ´e.
Les candidats ´electrons pour lesquels la trace est associ´ee `a un vertex de conversion sont alors class´es comme photons convertis `a une ou deux traces, selon la multiplicit´e du vertex de conversion. Par ailleurs, les candidats ayant une trace non associ´ee `a un vertex de conversion et telle quepT < 2 GeV ou E/p > 10 sont reclass´es comme photons
non convertis. Ce crit`ere de qualit´e suppl´ementaire sur les traces permet de r´ecup´erer environ 7% des photons non convertis totaux, identifi´es comme candidats ´electrons `a cause d’artefacts dans le d´etecteur interne.
Les clusters sont ensuite agrandis en fonction de leur classification. En effet, les particules charg´ees ´etant d´evi´ees dans le plan transverse au faisceau par le champ ma- gn´etique du sol´eno¨ıde lors de leur passage dans le d´etecteur interne (voir section 5), il est n´ecessaire d’augmenter la taille en φ des clusters associ´es `a des traces afin de r´ecup´erer une plus grande partie de l’´energie des candidats. Ainsi, les candidats ´electrons et pho- tons convertis sont red´efinis comme ´etant des clusters de 3 × 7 dans le tonneau, tandis que les clusters de photons non convertis restent inchang´es `a 3 × 5. De plus, tous les clusters sont agrandis dans les bouchons enη `a 5 × 5, afin de prendre en compte les lar- geurs plus importantes des gerbes (mat´eriau mort) tout en minimisant les contributions dues au bruit et `a l’empilement.
Ainsi, dans tous les cas, les candidats photons et ´electrons sont reconstruits dans des clusters de taille fixe. Cela permet entre autres d’´eviter des biais de reconstruction dus au bruit du calorim`etre, qui inclut des composantes statistiques mais ´egalement syst´ematiques (empilement, non-unformit´es, ...). Une discussion non-exhaustive sur les avantages et inconv´enients d’utiliser de clusters de taille fixe est propos´ee dans la sec- tion 11.2. Ce choix de reconstruction donne lieu `a des corrections importantes d’´energie au cours de la calibration (' 20%), objet de la section 8.
7.2 - Reconstruction des ´electrons et des photons 103 R [mm] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Entries / 2 mm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 R [mm] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Entries / 2 mm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 ATLASPreliminary -1.752 < η < -1.304 Data MC conversion candidates MC true conversions
Fig. 48 – Distribution radiale des vertex de conversion reconstruits dans le tonneau (gauche) et la partie bouchon couverte par le TRT (droite). Les trois couches de pixels (50.5 mm, 85.5 mm et 122.5 mm) et les deux premi`eres couches de SCT (300 mm, 373 mm) sont clairement visibles [182].
Average interactions per bunch crossing
5 10 15 20 25 30 35
Fraction of photon candidates
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Unconverted photons Converted photons
Single track conversions
Double track conversions
ATLAS Preliminary = 8 TeV s Data 2012, -1 L dt = 3.3 fb
∫
Fig. 49 – D´ecomposition des candidats photons reconstruits selon leur statut de conver- sion (non converti, converti `a une trace et converti `a deux traces) en fonction du nombre moyen d’interactions par croisement de faisceaux [183].
taille fixe d´efinis dans la section pr´ec´edente sont r´esum´ees dans la figure 50.
La premi`ere ´etape consiste `a entraˆıner un algorithme d’apprentissage artificiel multi- vari´e (MVA, pour multivariate algorithm) `a corriger l’´energie des clusters ´electromagn´e- tiques en se basant sur des ´echantillons simul´es (module 1). Au pr´ealable, la distribution de mati`ere situ´ee devant le calorim`etre est mesur´ee pr´ecis´ement dans les donn´ees afin d’avoir une description ad´equate des interactions rayonnement/mati`ere dans la simula- tion. Ces parties sont d´ecrites succinctement dans la section 8.2.
Diverses corrections de la r´eponse du calorim`etre dans les donn´ees, incluant l’inter- calibration entre les diff´erentes couches du calorim`etre (module 2) et des corrections d’uniformit´e de r´eponse diverses reli´ees `a certaines inhomog´en´eit´es du d´etecteur (mo- dule 4), sont pr´esent´ees dans la section 8.3. La d´etermination des constantes d’inter- calibration est n´ecessaire `a la validation de la distribution de mati`ere impl´ement´ee dans la simulation et doit donc ˆetre appliqu´ee aux donn´ees avant la calibration MC (module 3), tandis que les corrections d’uniformit´e sont appliqu´ees a posteriori de celle-ci.
Finalement, la r´eponse en ´energie obtenue pour les ´electrons et les photons est corri- g´ee lors d’une derni`ere ´etape concernant `a la fois les donn´ees et la simulation, consistant `
a comparer un ´echantillon d’´electrons autour de la masse du bosonZ0 dans les deux cas
de figure. Cette proc´edure est appel´ee calibration in-situ (module 5) et s’effectue apr`es calibration MC et corrections d’uniformit´e. La calibration finale est valid´ee pour les ´electrons en utilisant les r´esonances J/ψ → ee et pour les photons grˆace aux ´emissions radiatives des d´esint´egrations leptoniques du boson Z0, Z0 → llγ (module 6).21 Cela
permet entre autres de v´erifier la lin´earit´e des corrections en sondant d’autres domaines en ´energie. Cette partie est trait´ee dans la section 8.4.
simulation!
data!
J/ψàee Zàllγ# data-driven scale validation!
calibrated ! e/γ ! energy! Zàee # resolution smearing ! Zàee # scale calibration! EM ! cluster! energy! training of ! MC-based ! e/γ calibration! 1! uniformity corrections! 4! longitudinal layer inter- calibration! 2! MC-based ! e/γ energy! calibration! 3! 5! 5! 6!
Fig. 50 – Vue sch´ematique de la proc´edure utilis´ee pour calibrer la r´eponse en ´energie des photons et ´electrons dans l’exp´erience ATLAS [147].
21Pour toutes les s´elections effectu´ees dans les donn´ees, des crit`eres d’identification et d’isolation
sont appliqu´es aux candidats photons et ´electrons afin de maximiser la puret´e des ´echantillons. Ceux-ci