Etude de la recherche du boson de Higgs en deux photons dans l’exp´erience ATLAS au LHC et calibration du calorim`etre `a Argon liquide

Etude de la recherche du boson de Higgs en deux photons dans l’exp´erience ATLAS au LHC et

calibration du calorim`etre `a Argon liquide

Jean-Fran¸cois MARCHAND

Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique des Particules

Soutenance de th` ese

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 1 / 49

1

Le boson de Higgs dans le Mod`ele Standard

2

Le d´etecteur ATLAS au LHC

3

Le calorim`etre ´electromagn´etique d’ATLAS

4

Recherche du boson de Higgs dans le canal H → γγ

1

Reconstruction des photons et impact des conversions

2

Analyse H → γγ et potentiel de d´ ecouverte

1. Le boson de Higgs dans le Mod`ele Standard

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 3 / 49

Le Mod`ele Standard

Dans les ann´ees 1960 : Physiciens remarquent que laforce faibleet laforce

´

electromagn´etiquesont demˆeme nature

⇒Unificationde ces deux forces : Base duMod`ele Standard Electricit´e

Magn´etisme Lumi`ere

Certains type de radioactivit´e 9

>=

>;

manifestations d’une seule interaction : L’interaction ´electrofaible

MAIS

Pour que la th´eorie physique soit v´erifi´ee, les bosons vecteurs doivent ˆetre de masse nulle Observation :m_W = 80.4 GeV,m_Z= 91.2 GeV

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 5 / 49

Brout,EnglertetHiggsont propos´e une solution Juste apr`es le Big Bang : Particules sans masse

Apr`es refroidissement de l’univers et pourT<Tc :

Formation d’un “champ de Higgs” et du boson de Higgs qui lui est associ´e Les particules acqui`erent leur masse par interaction avec ce champ

→Plus les particules interagissent avec le champ, plus elles sont massives

→Pas d’interaction avec le champ = pas de masse

MAIS Le boson de Higgs n’a jamais ´et´e observ´e...

Difficult´e :mH inconnue

→Rechercher dans la gamme de masse dans laquelle il est cens´e se trouver

⇒Cette gamme sera explor´ee par le LHC

Limites exp´erimentales sur m _H

Directes LEP :

mH>114.4 GeV

@ 95% C.L. (2003) Tevatron :

mH∈/[160,170] GeV

@ 95% C.L.(2009) ₁

10

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 1

10

m_H(GeV/c²)

95% CL Limit/SM

Tevatron Run II Preliminary, L=0.9-4.2 fb^-1

Expected Observed

±1σ Expected

±2σ Expected

LEP Exclusion Tevatron Exclusion

SM

March 5, 2009

[GeV]

MH

100 150 200 250 300

2χ∆

0 2 4 6 8 10 12

LEP exclusion at 95% CL Tevatron exclusion at 95% CL σ1

σ 2

σ 3

Theory uncertainty Fit including theory errors Fit excluding theory errors

[GeV]

MH

100 150 200 250 300

2χ∆

0 2 4 6 8 10 12

GfitterSM

Mar 09

Indirectes

Fit ´electrofaible(incluant limites directes LEP et Tevatron)

mH= 116^+15.6_−1.3 GeV

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La physique au LHC

Le LHC

Acc´el´erateur de protons Circonf´erence = 27km

Construit dans le tunnel du LEP au CERN

ECM= 14 TeV Luminosit´e nominale : L0= 10³⁴cm⁻²s⁻¹

Croisement de faisceaux toutes les 25ns

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 9 / 49

Laplupartdes interactions p-p sont des

´ev`enements sans processus “dur”

⇒Peu d’int´erˆet pour les ´etudes de processus physiques tels queH→γγ

σ(processus

recherch´es) ≪ σ(collision p-p)

⇒Forte luminosit´e requise pour produire des ´ev`enements rares

N´ecessit´e du d´eclenchement Bruit d’empilement “pileup”

→NB interactions / croisement de paquets de protonsNL=L₀≈20(N=σL∆T)

A la luminosit´e nominale du LHC environ

8

<

:

10⁹collisions p-p / s 1000 W / s

0.5 H / s (mH= 120 GeV)

Les exp´eriences du LHC

4 exp´eriences de physique profiteront des faisceaux du LHC : ALICE, LHCb, CMS et ATLAS

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 10 / 49

η=−ln

˛

˛

˛

˛ tanθ

2

˛

˛

˛

˛

Description g´en´erale du d´etecteur ATLAS

D´etecteur interne: σp_T

pT ≈0.05%pT⊕1% ,|η|<2.5 –σp_T=30 GeV≈0.5 GeV

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Calorim`etres EM et hadronique- EM : σE

E ≈ 10%

√E ⊕0.3 GeV

E ⊕0.7% ,|η|<3.2

Description g´en´erale du d´etecteur ATLAS

Spectrom`etres `a muons: σp_T

pT ≈10% pourpT= 1 TeV ,|η|<2.7

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Le calorim`etre ´electromagn´etique d’ATLAS

1. Description g´en´erale : Calorim`etre `a ´echantillonnage Constitu´e d’une s´erie de couches :

deplomb(absorbeur)

d’argon liquide(milieu sensible) d’´electrodes de lecturedu signal

G´eom´etrie de typeaccord´eon(herm´eticit´e enφ)

1 tonneau(|η|<1.475) 2 bouchons(1.375<|η|<3.2)

4 compartiments: PS, strips, milieu, arri`ere Au total : 173 312 cellules

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2. Performances requises :

La physique ´etudi´ee au LHC impose des contraintes sur les caract´eristiques du calorim`etre : sur lar´esolution en ´energie: ^σE

E =10%

√E ⊕0.3GeV

E ⊕0.7%(Een GeV) sur lar´esolution angulaire:Pour des particules pointantes50−60mrad

√E (Een GeV)

3. Le signal de physique :

Ionisation de l’Ar liquide par les particules de la gerbe EM le traversant

→Courant r´ecolt´e de forme triangulaire

→Imax∝Q0 ⇒ Imax∝E_d´epos´ee ^Q0 est la charge totale cr´e´ee

τdest le temps de d´erive des ´electrons (≈400ns)

Pour exploiter les avantages de la calorim´etrie `a Ar liquide (stabilit´e et uniformit´e du signal) et ainsi profiter au mieux des performances du calorim`etre :

⇒N´ecessit´e de biencontrˆoler les imperfections et les non-uniformit´es(au^‡) li´ees `a l’´electronique de lecture

⇒N´ecessit´e d’un syst`eme de calibrationde l’´electronique de traitement du signal

Le calorim`etre ´electromagn´etique d’ATLAS

4. Electronique de traitement du signal :

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 15 / 49

4. Electronique de traitement du signal :

Le calorim`etre ´electromagn´etique d’ATLAS

4. Electronique de traitement du signal :

122 cartes calibration: Injection de signaux de forme connue pour simuler le signal d’ionisation 1524 cartes FEB: Traitement analogique et digitisation des signaux

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 15 / 49

Changements de gain sur les FEB

Gamme dynamique en ´energie couverte par le calorim`etre (≈50 MeV→3 TeV) n´ecessite encodage 16 bits : ADC 12 bits – 3 gains

Σ 101 100

Σ Shaper Preamp

LSB

T ADC

SMUX

OTx M

U X 144 cells

4

SCA

128

Analogue trigger sum channels Detector inputs

OpAmp

to ROD 12

GLINK GSEL

Choix du gain

Un seul gain est conserv´e Le s´electeur de gain choisi le gain optimal entre HG, MG et BG

L’´echantillon correspondant au pic est digitis´e en MG

⇒Motivation : optimiser les valeurs de changement de gain canal par canal Rester le plus longtemps dans le gain le plus haut = Maximum de pr´ecision Ne pas saturer

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 17 / 49

On regarde d’abord le HG:

On fait varier l’amplitude du signal d’´etalonnage (DAC) autour du point de saturation

⇒permet de d´eterminer la valeur de saturation du signal : DAC_saturation Deux m´ethodes diff´erentes pour obtenir DACsaturationont ´et´e d´evelopp´ees :

Utilisation de l’ajustement de la rampe ADC vs DAC

Pour chaque canal, ajustement lin´eaire de la rampe (ADC de l’´echantillon max. vs DAC) DACsaturationest obtenu par extrapolation de la droite obtenue vers ADC = 4095 (2¹²−1)

time(ns)

0 50 100 150 200 250

Amplitude

0 200 400 600 800 1000 1200

650 750 850 950 10501150125013501450

ADC

2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

MeanVsDac_FT20_Slot10_Channel24

Amplitude d’etalonnage (DAC)

Utilisation du RMS

D´etermination des seuils

On regarde d’abord le HG:

On fait varier l’amplitude du signal d’´etalonnage (DAC) autour du point de saturation

⇒permet de d´eterminer la valeur de saturation du signal : DAC_saturation Deux m´ethodes diff´erentes pour obtenir DACsaturationont ´et´e d´evelopp´ees :

Utilisation de l’ajustement de la rampe ADC vs DAC Utilisation du RMS

→100 mesures pour chaque valeur de DAC

→RMS li´e au bruit ´electronique

0102030405060708090100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0102030405060708090100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0102030405060708090100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

RMS = 0 quand saturation ^{650 750 850 950 10501150125013501450}

dRMS/dDAC

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 FT12_Slot10_Channel35

Amplitude d’etalonnage (DAC)

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On regarde ensuite le MGafin de d´eterminer la valeur d’ADC correspondant `a la saturation

Example : Compartiment arri`ere EMBA

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1100

1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

(methode RMS)seuilADC

( methode fit ) seuil ADC

Les 2 m´ethodes conduisent `a des r´esultats similaires ADC_seuil=min(ADCajustement rampe

seuil ,ADC^RMS_seuil)−marge de s´ecurit´e

ADC seuil et importance de l’´etude

CompartimentmilieuEMBA ^ADCswitchEntries 61443

Mean 1307

RMS 20.97

/ ndf χ2 96.41 / 92 Constant 436.6 ± 4.5 Mean 1307 ± 0.2 Sigma 20.82 ± 0.12

11000 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 100

200 300 400 500

ADCswitch Entries 61443

Mean 1307

RMS 20.97

/ ndf χ2 96.41 / 92 Constant 436.6 ± 4.5 Mean 1307 ± 0.2 Sigma 20.82 ± 0.12 ADCswitch

(Moyen Gain) seuil ADC

Avec le seuil ADC actuel (1300)

≈la moiti´e des canaux peuvent saturer !

On peut modifier la valeur de changement de gain pour tous les canaux : 1200 au lieu de 1300

Choix optimal = canal par canal

Pour chaque canal : 2 seuilsprogrammables→2×128×1524≈390 000 seuils ! !

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Cartes de calibration

→Permettent l’injection de signaux de forme connue pour simuler le signal d’ionisation

→Le signal de calibration doit reproduire le signal d’ionisation

Performances requises :

→Lin´earit´e<0.1% sur toute la gamme dynamique

→Dispersion de l’amplitude

<0.2%

V(t) = R₀

2(1−f)Ipe^−t/τcalib avec

f = 2r0

2r0+R₀ etτexp= 2L0

2R0+r₀

→Signal de calibration d´epend des composants des cartes de calibration

→N´ecessit´e de les contrˆoler

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 22 / 49

→Pendant les tests des cartes de calibration, plusieurs param`etres sont contrˆol´es et conserv´es dans des fichiers

r0= r´esistance de l’inductance (pour chaque ligne de calibration)

Uniformit´e en temps

Temps caract´eristique de d´ecroissance du signal

Offset de l’amplificateur op´erationnel enµV

Objectif principal :

→Synth´etiser et p´er´eniser les caract´eristiques«intrins`eques»des cartes de calibration obtenues sur banc de test

Mesure de l’uniformit´e en temps

Obtenue en tra¸canttmaxen fonction du num´ero de canal Triple p´eriodicit´e

Canaux regroup´es par lignes de 8 2 groupes de 8×8 canaux

2 puces de d´elai (PHOS4) par carte, 4 canaux par puce ayant leur propre d´elai = groupes de 16 canaux

Maximal time difference (ns)

Board number

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2 -1 0 1 2

Dispersion en temps≈2ns sur une mˆeme carte et pour toutes les cartes

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 24 / 49

Obtenue en tra¸canttmaxen fonction du num´ero de canal

Time difference (ns)

Channel number

0 20 40 60 80 100 120

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

0.8 Triple p´eriodicit´e

Canaux regroup´es par lignes de 8 2 groupes de 8×8 canaux

2 puces de d´elai (PHOS4) par carte, 4 canaux par puce ayant leur propre d´elai = groupes de 16 canaux

Maximal time difference (ns)

Board number

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2 -1 0 1 2

Dispersion en temps≈2ns sur une mˆeme carte et pour toutes les cartes

Mesure de l’uniformit´e en temps

Obtenue en tra¸canttmaxen fonction du num´ero de canal

Time difference (ns)

Channel number

0 20 40 60 80 100 120

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

0.8 Triple p´eriodicit´e

Canaux regroup´es par lignes de 8 2 groupes de 8×8 canaux

2 puces de d´elai (PHOS4) par carte, 4 canaux par puce ayant leur propre d´elai = groupes de 16 canaux

Maximal time difference (ns)

Board number

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2 -1 0 1 2

Dispersion en temps≈2ns sur une mˆeme carte et pour toutes les cartes

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 24 / 49

Obtenue en tra¸canttmaxen fonction du num´ero de canal

Time difference (ns)

Channel number

0 20 40 60 80 100 120

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

0.8 Triple p´eriodicit´e

Canaux regroup´es par lignes de 8 2 groupes de 8×8 canaux

2 puces de d´elai (PHOS4) par carte, 4 canaux par puce ayant leur propre d´elai = groupes de 16 canaux

Maximal time difference (ns)

Board number

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2 -1 0 1 2

Dispersion en temps≈2ns sur une mˆeme carte et pour toutes les cartes

Temps caract´eristique de d´ecroissance τ calibration

τcalib= temps caract´eristique de d´ecroissance exponentielle du signal de calibration

Par formule empirique

Ou parajustement du pulse de calibration:

Valeurs plus stables mais pas disponibles pour toutes les cartes Amplitude (ADC)

Time(ns) 400 600 800 10001200140016001800 0

200 400 600 800 1000 TAU-10

3000 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 200

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Tau all channel

3000 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 200

400 600 800 1000 1200 1400 Tau fit all channel

(ns) calib τ

(ns) fit calib τ

> = 432.1 ns τ

<

= 10.3 ns σ

> = 432.6 ns τ

<

= 5.0 ns σ

Observation : Dispersion deτcalib de 2%

Pr´ecision 5ns

EffetO(1^‡) surE

En accord avec la pr´ecision des composants :

τ_calib= 2L 2r0+R0

avec

 σ(R0) = 1^‡ σ(r0) = 1%

⇒Dispersion deτcalibdomin´ee par celle de l’inductanceL:≈2%

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 25 / 49

Image “directe” des cartes de calibration

Permet de v´erifier lacompr´ehension fine de la chaˆıne de lecture ex. : Donn´ees de calibration

⇒1µV sur la carte de calib. retrouv´e en sortie de la chaˆıne de lecture ! !

Permet de suivre les ´eventuels effets de l’irradiation Seront utilis´es pour le calcul des coefficients de calibration

Il est pr´evu de prendre en compte ladispersion en temps des canauxsur une carte de calibration dans le calcul des coeff. de calibration

Param`etres des 122 cartes de calibration ins´er´es dans la DB d’ATLAS, serviront pendant toute la dur´ee de vie du d´etecteur

4. Recherche du boson de Higgs dans le canal H → γγ

4.1. Reconstruction des photons et impact des conversions

4.2. Analyse H → γγ et potentiel de d´ ecouverte

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 27 / 49

H →

L’un des objectifs du LHC et de ATLAS est lad´ecouverte du boson de Higgs H→γγestl’un des canaux de d´ecouverte les plus prometteurspour un boson de Higgs du MS dans la r´egion de basse masse (114<m_H<140 GeV)

Ce canal a impos´e ses caract´eristiques au calorim`etre EM (avec le canalH→4e)

Petit rapport d’embranchement (≈2·10⁻³pourmH= 120 GeV)

MAIS Signature simple

Tr`es bonne r´esolution en masse (≈1.5GeV)

Points cl´es 8

>>

<

>>

:

→Reconstruction des photons

→Manipulation des conversions

→R´ejectionγ/jet

→Mesure de la direction des photons

Signal et bruit de fond

Production du boson de Higgs gg fusion

g

q

g q

¯

q H⁰

Vector Boson Fusion (VBF)

q q

q W, Z

q H⁰

Production associ´ee avec W, Z o`ut¯t

q

¯ q

W, Z

W, Z H⁰

g g

¯ t t

t

¯

t H⁰

Signal

H⁰

t γ

γ

H⁰

γ W

γ H⁰

W

W γ

γ

Bruit de fond

Irr´eductible :γγ(+jets) (Born, Bremsstrahlung, box)

q

¯q γ

γ

q γ

g

q

γ g

g γ

γ

R´eductible :γ/jet(s), jet(s)/jet(s)

Bruit de fond σ(fb)

γγ 562(60%)

γ/jet 318(35%)

jet/jet 49(5%) Apr`es coupures d’analyse (mγ γ±1.4σ)

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 29 / 49

Identification et isolation

Pour r´eduire le bruit de fond des jets en dessous du bruit de fond irr´eductible Identification utilisant des coupures(sur la forme des gerbes EM)

→R´ejection des jets par large gerbes : compartiment milieu et calo. hadronique

→S´eparationγ/π⁰: Segmentation fine des strips

strips η

Energie deposee

γ

strips η

Energie deposee

γ γ

→ π0

Isolation(utilisant les traces) Utilisation des conversions

Les conversions peuvent ˆetre utilis´ees pour am´eliorer la r´ejectionγ/π⁰ Utilisation de lavariablep/E (avecp=p_e++p_e−)

(p/E)γ≈1et(p/E)_π0≈0.5

(si pour leπ⁰,E_γ¹=E_γ²) ^{00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4}

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

- Before identification/isolation cuts cluster

/E tracks p

γ Single

π0 Single

p/E

Reconstruction des photons

Formation des clusters

“Sliding-window” : D´eplacement d’une fenˆetre de cellules dans le plan

ηφet recherche maximum local ^Pre-luster5×5

seuil=3GeV

Baryentredans3×3

entrésurleentredu

5×5 Cluster3×7

Reconstruction des photons En partant de clusters EM Photons

non-convertis Photons convertis

Correction de la direction desγ M´ethode it´erative

Mesure pr´ecise de la position du vertex primairetr`es importante pour am´eliorer la r´esolution en masse du Higgs

[GeV]

γ mγ

100 105 110 115 120 125 130 135 140

0 100 200 300 400 500 600 700

calo = 1.53 GeV σ

calo+prim. vtx = 1.40 GeV σ

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 31 / 49

η

0 0.5 1 1.5 2 2.5

EMC Offset (MeV)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

ATLAS Terme B

Photons Electrons

Correction de l’´energie reconstruite

Ereco=A(B+WPSEPS+E₁+E₂+W₃E₃) Des poids diff´erents sont appliqu´es pour les photons et les ´electrons

Poids desγconvertis = poids des ´electrons Pertes an amont PS pour ´electrons>photons En moyenne, perte d’´energie de 63% pour

un ´electron parcourantX0

un photon parcourant ⁹₇X0

Probabilit´e qu’un photon se convertisse avant longueurX : ǫ= 1−e⁻⁷⁹

X X0

⇒Si _X^X

0 = 0.7,ǫ= 42%

Taux de conversions dans H → γγ

Etudes Monte Carlo :

→57%desH→γγavec≥1 conversion avecRconv<800mm

→35%desH→γγavec≥1 conversion avecRconv<350mm

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 33 / 49

2 types de photons convertis sont utilis´es :

e +

e

e

e

Conversions `a deux traces

→Reconstruites par un algorithme de vertexing utilisant 2 traces de charges oppos´ees

Conversions `a une trace

→Une des 2 traces non reconstruite par le d´etecteur ou ´echec de vertexing

→Cr´eation d’un outil de r´ecup´eration des conversions `a une trace Electron primaire = 1 hit

Electrons de conversion = 0 hit ff

dans 1^`erecouche de pixels

Conversion radius (mm) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Efficiency

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Total conversions Double track Single track

ATLAS

Efficacit´e de reconstruction≈66.4%

pour conversions avecRconv<350mm

Masse invariante m γγ et conversions

[GeV]

γ Mγ

100 105 110 115 120 125 130 135 140

Arbitrary units

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

γ

≥

1 vrai converti

0.03) GeV

± Mean=(119.46

0.02) GeV

±

=(1.46 σ ATLAS

[GeV]

γ mγ

100 105 110 115 120 125 130 135 140

Unite arbitraire

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

γ Tous les

non-convertis γ

convertis a 2 traces γ

convertis a 1 trace γ

Fit Gaussien asym´etrique [−2σ,+3σ]

Masse (GeV) σm(GeV) Tous lesγ- Pas de pileup 119.46 1.46

Tous lesγ- Pileup 119.47 1.52

γnon-convertis (79.4%) 119.6 1.4

Conversions `a 1 trace(6.5%) 118.9 1.6 Conversions `a 2 traces(14.1%) 118.2 1.8

R´esolution d´egrad´ee de qqs % quand on ajoute du pile-up 10³³cm⁻²s⁻¹ Importance des conversions `a une trace !

D´ecalage en masse dˆu aux photons convertis

hm_γγiphotons non-convertis>hm_γγiconversions 1 trace>hm_γγiconversions 2 tracespourquoi ?

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 35 / 49

Ce que l’on attend

∆φ >0.05 cluster ne contient pas touteEγ

∆φ >0.1 cluster ne contient qu’une trace

ff

∆φextrapol´e au calorim`etre

Ouverture de la paire et cluster

Ce que l’on attend

∆φ >0.05 cluster ne contient pas touteEγ

∆φ >0.1 cluster ne contient qu’une trace

ff

∆φextrapol´e au calorim`etre

52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

0 0.05 0.1 0.15 0.2

0.25 ^∆φ<0.05

Mean=59.8GeV

⇒

<0.1 φ

∆ 0.05<

Mean=58.9GeV

⇒

<0.15 φ

∆ 0.1<

Mean=57.3GeV

⇒ Photons

E = 60 GeVT

(GeV)

cluster

ET

Ce que l’on obtient

∆φ <0.05

→Pas de perte d’´energie

→3×7contient les 2 traces 0.1<∆φ <0.15

→E_perdue≈3 GeV (≈5%)

→3×7contient 1 seule trace

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 36 / 49

Tmax T / p

∆ p

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

Unite arbitraire

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Conversion a 1 trace Conversion a 2 traces Photons − E = 60 GeVT

e

e

∆pT/pTmax≈1

Une des 2 traces emporte≈toute l’´energie du photon

Seulement reconstruites comme conversions `a 1 trace

→E_perdue≈0

e

e

∆pT/pTmax≈0.9−0.95

La particule la moins ´energ´etique emporte % ´energie suffisant pour affecterE_cluster Principalement reconstruites comme conversions `a 2 traces

⇒ hmγγiconversions 2 traces < hmγγiconversions 1 trace

Calibration des photons convertis

Comment r´ecup´erer l’´energie de la 2^{`eme</sup>trace, perdue pour les conversions asym´etriques ? La plupart du temps, on ne peut pas retrouver de 2<sup>`eme}objets EM correspondant `a la particule la moins ´energ´etique_→dˆu au seuil de pre-clustering (3 GeV dans une fenˆetre 5×5) On peut utiliser l’information issue de la

conversion reconstruite :

→Si∆φ >0.1:Eγ=Ecluster+Etrace

→Sinon :E_γ=E_cluster

(GeV) γ mγ

100 105 110 115 120 125 130 135

e arbitraireUnit

0 500 1000 1500 2000

2500 ∆φ < 0.05

Mean = 118.2 GeV

⇒ > 0.1 φ

∆

Mean = 116.9 GeV

⇒

> 0.1 - Corrected φ

∆

Mean = 119.3 GeV

⇒

(GeV) γ mγ

100 105 110 115 120 125 130 135

e arbitraireUnit

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Corrected

> = 118.2 GeV

γ

<mγ

Uncorrected

> = 117.7 GeV

γ

<mγ

hmγγinon corrig´ees

conversions `a 2 traces= 117.7 GeV⇒ hmγγi<sup>corrig´ees</sup>conversions `a 2 traces= 118.2 GeV

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 38 / 49

Importance des conversions pourH→γγ Conversions `a une trace :≈7%

d’´ev`enements reconstruits en plus

Le cluster 3×7 utilis´e pour les photons convertis ne contient pas les 2 traces pour les conversions tr`es asym´etriques Ajout de l’´energie de la trace permet de corriger la perte d’´energie

Utiliser 3×7+trace, 3×11 ? Modifier clustering ?

4. Recherche du boson de Higgs dans le canal H → γγ

4.1. Reconstruction des photons et impact des conversions 4.2. Analyse H → γγ et potentiel de d´ ecouverte

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 40 / 49

0<|η|<1.37,1.52<|η|<2.37(motiv´es par l’identification des photons) p_T^γ1>40 GeV,p_T^γ2>25 GeV(obtenus par des ´etudes d’optimisation)

[GeV]

γ

Mγ

110 115 120 125 130 135 140 145 150 [fb/GeV]γγ/dMσd

50 100 150 200 250 300

[GeV]

γ

Mγ

110 115 120 125 130 135 140 145 150 [fb/GeV]γγ/dMσd

50 100 150 200 250 300

Signal Irreducible bkg Reducible bkg ATLAS

Sections efficaces attendues (hmγγi ±1.4σ) Signal σ(fb) Bruit de fond σ(fb)

gg→H 21 γγ 562

VBFH 2.7 γ/j 318

t¯tH 0.35 jj 49

ZH,WH 1.3 Z→e⁺e⁻ 18

25.4 947

S/√

B= 2.6 avec 10 fb⁻¹ K-facteur appliqu´e :K_γj= 2.1 etKjj = 1.3

Diff´erents modes de production du Higgs (gg→H, VBFH,WH,ZHout¯tH) Analyses d´edi´ees

H+ 1jet,H+ 2 jets ,H+E_T^miss+ℓouH+E_T^miss

Analyse inclusive, H+1,2jets et H + E _T ^miss (+ℓ) - R´esum´e

Inclusive

[GeV]

γ Mγ 110 115 120 125 130 135 140 145 150 [fb/GeV]γγ/dMσd

50 100 150 200 250 300

[GeV]

γ Mγ 110 115 120 125 130 135 140 145 150 [fb/GeV]γγ/dMσd

50 100 150 200 250 300

Signal Irreducible bkg Reducible bkg ATLAS

Nσ≈2.6

H+ 1 jet

VBF + jets suppl. avecgg→H Nσ≈1.8

H+ 2 jets

Surtout VBF Nσ≈1.9 H+E_T^miss+ℓ

110 115 120 125 130 135 140 145 150

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

110 115 120 125 130 135 140 145 150

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

Signal Irreducible bkg Reducible bkg

[GeV]

γ Mγ [fb/GeV]γγ/ dMσd

ATLAS

SurtoutWH→ℓνγγett¯tH Nσ≈1.2

H+E_T^miss

110 115 120 125 130 135 140 145 150

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

110 115 120 125 130 135 140 145 150

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

Signal Irreducible bkg Reducible bkg

[GeV]

γ Mγ [fb/GeV]γγ/ dMσd

ATLAS

SurtoutZH→ννγγ Nσ≈1.0

Diff´erentes topologies

= diff´erentsS/B S/B augmente mais

sections efficaces diminuent Signification statistique dimimue

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 42 / 49

Utilise informations discriminantes des propri´et´es cin´ematiques et topologiques deH→γγ Variables de l’ajustement

mγγ

pTHiggs

|cosθ^∗|^o`uθ∗est l’angle de d´esintegration du Higgs

θ*|

|cos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

]0.025/fb*| [θd|cos/σd

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

θ*|

|cos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

]0.025/fb*| [θd|cos/σd

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

θ*|

|cos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

θ*|

|cos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

, 0 jets category (dots: MC, line: PDF) γ

γ

→ H

, 1 jet category (dots: MC, line: PDF) γ

γ

→ H

, 2 jets category (dots: MC, line: PDF) γ

γ

→ H

ATLAS

Signal ^|cosθ*|

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

]0.01/pb*| [θd|cos/σd

0 2 4 6 8 10

θ*|

|cos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

]0.01/pb*| [θd|cos/σd

0 2 4 6 8 10

θ*|

|cos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

2 4 6 8 10

Background, 0 jets category (dots: MC, line: PDF) Background, 1 jet category (dots: MC, line: PDF)

ATLAS

Background

Ajustement du maximum de vraissemblance

Utilisation de cat´egories

S´eparation des donn´ees en sous-populations de propri´et´es diff´erentes Donne une description fine des donn´ees - R´eduit les biais de corr´elation

⇒Augmente la pr´ecision du mod`ele de likelihood

Cat´egories de l’ajustement 3 cat´egories de production du Higgs :

H + 0, 1, 2 jets 3 cat´egories enη

→Regroup´ees en fonction de la r´esolution

cat´egories pour photons convertis/non-convertis

1| η

|

0 0.5 1 1.5 2 2.5

| 2η|

0 0.5 1 1.5 2 2.5

1.79 GeV (1) [13.2%]

1.79 GeV (1) [13.2%]

2.21 GeV

(2) [14.1%]

2.21 GeV

(2) [14.1%] 2.27 GeV (3) [10.2%]

2.27 GeV (3) [10.2%]

2.19 GeV

(4) [8.7%]

2.19 GeV (4) [8.7%]

3.37 GeV

(5) [14.6%]

3.37 GeV (5) [14.6%]

2.17 GeV (6) [24.3%]

2.17 GeV (6) [24.3%]

3.46 GeV (7) [8.0%]

3.46 GeV

(7) [8.0%]

2.00 GeV (8) [7.0%]

2.00 GeV (8) [7.0%]

1| η

|

0 0.5 1 1.5 2 2.5

| 2η|

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Photons convertis

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 44 / 49

Signification statistique attendue pour10fb⁻¹de luminosit´e integr´ee(dans une fenˆetre de masse±1.4σautour demH)

Comparaison ducomptage d’´ev`enementset dufit combin´e

Higgs boson mass [GeV]

120 125 130 135 140

Signal Significance

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Combined, fit based Combined, event counting Inclusive, event counting

L = 10 fb-1

∫

ATLAS

mH Simple comptage

Fit combin´e (GeV) Inclusive combin´ee

120 2.6 3.3 3.6

130 2.8 3.5 4.2

140 2.5 3.0 4.0

⇒Le fit combin´e augmente la signification de≈40%par rapport `a l’analyse inclusive

⇒Observation `a 3σdevrait ˆetre possible avec<3 fb⁻¹

Incident du 19 septembre 2008

Avant le 19 septembre 2008 :O(1 fb⁻¹) pr´evus pour la 1^`ereann´ee de donn´ees 19 septembre 2009 :

→d´efaillance caus´ee par une connexion ´electrique d´efectueuse entre deux aimantsa entraˆın´e des dommages m´ecaniques et un d´egagement de l’h´elium en provenance des masses froides des aimants dans le tunnel

Le53^`emeet dernier aimant de rechange descendu dans le tunnel de l’acc´el´erateur le 30 avril 2009

Red´emarrage pr´evu automne 2009, mais´energie et luminosit´e limit´ees

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 46 / 49

Avant le 19 septembre 2008 :O(1 fb⁻¹) pr´evus pour la 1^`ereann´ee de donn´ees 19 septembre 2009 :

→d´efaillance caus´ee par une connexion ´electrique d´efectueuse entre deux aimantsa entraˆın´e des dommages m´ecaniques et un d´egagement de l’h´elium en provenance des masses froides des aimants dans le tunnel

Le53^`emeet dernier aimant de rechange descendu dans le tunnel de l’acc´el´erateur le 30 avril 2009

Red´emarrage pr´evu automne 2009, mais´energie et luminosit´e limit´ees

Incident du 19 septembre 2008

Avant le 19 septembre 2008 :O(1 fb⁻¹) pr´evus pour la 1^`ereann´ee de donn´ees 19 septembre 2009 :

→d´efaillance caus´ee par une connexion ´electrique d´efectueuse entre deux aimantsa entraˆın´e des dommages m´ecaniques et un d´egagement de l’h´elium en provenance des masses froides des aimants dans le tunnel

Le53^`emeet dernier aimant de rechange descendu dans le tunnel de l’acc´el´erateur le 30 avril 2009

Red´emarrage pr´evu automne 2009, mais´energie et luminosit´e limit´ees

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 46 / 49

1 ann´ee de prise de donn´ees - m _H = 120 GeV

1^`ereann´ee : Luminosit´e int´egr´ee 200 pb⁻¹et√s= 10 TeV On applique les coupures de l’analyse inclusive

 |η|<1.37, 1.52<|η|<2.37 p¹_T>40 GeV andp²_T>25 GeV Signal 120 GeV±1.4σ

gg fusion 12.1 fb

VBF Higgs 1.5 fb

WH,ZH 0.8 fb

t¯tH 0.1 fb

Total 14.5 fb(-43%)

Bruit de fond 120 GeV±1.4σ γγirr´eductible 401 fb

γj r´educible 209 fb jjr´educible 29 fb

Total 639 fb(-32%)

Avec 200 pb⁻¹de donn´ees et 10 TeV

(Signal×10)

⇒Seulement≈3 ´ev`enements de signal attendus

≈128 ´ev`enements de bruit de fond

Limites d’exclusion, m _H = 120 GeV

M´ethode de comptage d’´ev`enements bas´ee sur une distribution de Poisson Avec 200 pb⁻¹et√

s= 10 TeV

Exclusion `a 95% C.L. de6.7 fois le Mod`ele Standard avec 200pb⁻¹et 10TeV 8.2fb⁻¹n´ecessaires pour exclure un boson de Higgs dans le Mod`ele Standard

La limite observ´ee par DØ est de 13.1 fois le Mod`ele Standard `a 95% C.L. (note DØ)

⇒ATLAS devrait ˆetre comp´etitif avec Tevatron avec les premi`eres donn´ees

JF Marchand (LAPP) Soutenance de th`ese – 03/06/2009 48 / 49

Mon travail de th` ese s’est orient´ e selon deux axes principaux Travail sur le calorim` etre ´ electromagn´ etique

Etudes des performances des cartes de calibration et p´er´enisation des caract´eristiques

Optimisation de la gamme dynamique en ´energie

Recherche du boson de Higgs avec le canal H → γγ

→D´eveloppement d’un outil de r´ecup´eration des conversions `a une trace

→Effet sur la calibration et sur la reconstruction deH→γγ AnalyseH→γγ

→Avec√s= 14 TeV et 10 fb⁻¹

→Et avec la 1^`ereann´ee de donn´ees