Étalonnage du calorimètre Étalonnage du calorimètre électromagnétique tonneauélectromagnétique tonneau

Étalonnage du calorimètre Étalonnage du calorimètre électromagnétique tonneau électromagnétique tonneau , ,

Identification des leptons Identification des leptons  

et et

recherche d’un boson de Higgs recherche d’un boson de Higgs

dans le canal qqH

dans le canal qqH →qq →qq    

dans l’expérience ATLAS au LHC.

dans l’expérience ATLAS au LHC.

Fabien Tarrade

Fabien Tarrade

LAPP, Annecy

LAPP, Annecy

Cadre théorique et contexte expérimental

I. Reconstruction du signal et étalonnage du calorimètre électromagnétique

II. Identification des leptons  dans leurs désintégrations hadroniques

III. Recherche d’un boson de Higgs du Modèle Standard

Conclusion générale

Plan Plan

Cadre théorique Cadre théorique

et et

contexte expérimental contexte expérimental

Le Modèle Standard et le boson de Higgs L’expérience ATLAS au LHC

Le calorimètre électromagnétique

Le Modèle Standard Le Modèle Standard

succès :

prédictions (boson W, Z, quark t …) en accord avec les résultats expérimentaux mesures de précision en accord avec la théorie

masses :

générées par le mécanisme de Higgs, auquel est associé un boson de Higgs

limite du Modèle Standard problème de naturalité

nombre de paramètres libres …

Supersymétrie

dimensions supplémentaires …

Modèle Standard : Modèle Standard :

Au-delà du Modèle Standard (nouvelles extensions) : Au-delà du Modèle Standard (nouvelles extensions) :

mais cette dernière particule

est encore inobservée

Le boson de Higgs Le boson de Higgs

limites sur m

limites sur m

dans le Modèle Standard : dans le Modèle Standard :

recherche du boson de Higgs : recherche du boson de Higgs :

recherche directe

mHiggs > 114.4 GeV/c² @ 95% CL (LEP)

ajustements électrofaibles mHiggs < 207 GeV/c² @ 95% CL

limite théorique

mHiggs < 1 TeV/c² (trivialité, unitarité)

mHiggs inconnue

nécessite une grande gamme d’énergie

section efficace de production

σ_Higgs une dizaine d’ordres de grandeur plus faible que σ_totale

LHC

collisionneur proton-proton de 27 km de circonférence

énergie dans le cm √s = 14 TeV

croisement paquets de protons toutes les 25 ns Luminosité nominale prévue:

2.10

cm

s

à 10

cm

s

basse : 10 fb

/an

haute : 100 fb

/an

4 grandes expériences:

ATLAS, CMS, LHCb et ALICE

premières collisions fin 2007 √s = 450+450 GeV

LHC : LHC : Large Hadron Collider

CERN, Genève

Tevatron

section efficace proton-(anti)proton

LHC

Le LHC

Le LHC

variables pseudo-rapidité : η =-ln( tan(θ/2) ) énergie transverse : E

= E sin (θ)

L’expérience ATLAS L’expérience ATLAS

caractéristiques

longueur : 44 m diamètre : 22 m poids : 7000 t

Y

X Z

φ θ

géométrie symétrie suivant φ symétrie par

rapport à η=0

ATLAS : A Toroïdal LHC ApparatuS ATLAS : A Toroïdal LHC ApparatuS

protons

protons

résolution en impulsion :

σ(p)/p = 0.05 % p (GeV)  1% pour |η|<2.5

Solénoïde 2T Solénoïde 2T

détecteurs internes détecteurs internes

détecteur à pixel

SCT (Semi-Conductor Tracker)

Le détecteur interne

Le détecteur interne

Les calorimètres Les calorimètres

résolution en énergie (en GeV) :

électromagnétique: σ(E)/E = 10%/√E  0.3/E  0.7% pour |η|<3.2 hadronique: σ(E)/E = 50%/√E  3% pour |η|<3

: σ(E)/E = 100%/√E  5% pour 3<|η|<5

les calorimètres les calorimètres

électromagnétique

Le spectromètre à muons Le spectromètre à muons

résolution en impulsion :

σ(pT)/pT < 3% pour 10<pT<250 GeV et pour |η|<2.7 σ(pT)/pT = 10 % à 1 TeV

8 aimants toroïdaux 8 aimants toroïdaux et 2 toroïdes bouchons et 2 toroïdes bouchons

spectromètre

spectromètre à à muons muons

MDT (Monitored Drift Tubes)

CSC (Cathode Strips Chambers)

RPC (Resistive Plate Chambers)

TGC (Thin Gap Chambers )

calorimètre à échantillonnage plomb/argon liquide

argon liquide (90 K) :

homogénéité, stabilité chimique, tenue aux radiations

couverture :

|η|<1.475 partie tonneau

1.375<|η|<3.2 partie bouchon

géométrie cylindrique hermétique en φ accordéon

Le calorimètre Le calorimètre électromagnétique électromagnétique

bouchons bouchons

tonneau tonneau

profondeur (suivant r) :

25 à 34 X

longueurs de radiation 2 demi-tonneaux

z<0 et z>0

1 demi-tonneau :

partie tonneau : partie tonneau : caractéristiques : caractéristiques :

r

Principe et segmentation Principe et segmentation

particules

η

développement de la gerbe : absorbeur plomb : X

=0.56 cm φ

ionisation de l’argon liquide : électrons d’ionisation signal : collecté par la couche centrale des électrodes

principe : principe :

compartiment avant compartiment avant

compartiment milieu compartiment milieu

compartiment arri compartiment arrièèrere

=0

=1.4

pré

pré é échantillonneurchantillonneur

r 

cellules

η

φ r

compartiment compartiment

milieu milieu

prépré

échantillonneur échantillonneur

compartiment arrière compartiment arrière

compartiment avant compartiment avant

segmentation : segmentation :

compartiment granularite (×) profondeur pré-échantillonneur 0.025 x 0.1 1-2 X0.025 x 0.1 1-2 X₀₀ avant 0.003 x 0.1 3-5 X0.003 x 0.1 3-5 X00 milieu 0.025 x 0.025 15-18 0.025 x 0.025 15-18 XX0₀

arrière 0.05 x 0.025 1-8 X0.05 x 0.025 1-8 X00

=0.8

cryostat

déclenchement L1 L1 décision

HTHT

filtre de mise filtre de mise en forme CR-RC en forme CR-RC

ADCADC RODROD

SCA

signal d’étalonnage signal d’étalonnage

t

U

étalonnage

A A

∞ ∞ E E

(2.8  (2.8  A/GeV) A/GeV)

temps de dérive ~ 450 ns

t I

signal de physique signal de physique

3 gains (1:9.3:93) 3 gains (1:9.3:93)

cellule de cellule de détection détection

reconstruction de reconstruction de l’énergie par filtrage l’énergie par filtrage optimal

optimal

E =  a

s

t U

signal après mise en forme signal après mise en forme échantillonnage

toute les 25 ns

La chaîne de lecture La chaîne de lecture

caverne pour l’électronique

chaîne de lecture pour ATLAS: chaîne de lecture pour ATLAS:

besoin de la forme du signal de physique gphysique, de sa dérivée g’physique et de la matrice d’auto corrélation du bruit R

reconstruction de l’énergie en utilisant les coefficients de filtrage optimal ai

Coefficients de Coefficients de filtrage optimal filtrage optimal

méthode de méthode de filtrage optimal filtrage optimal : :

électronique optimisée pour la haute luminosité (bruit d’électronique et d’empilement) le filtrage optimal permet de réduire le bruit à basse luminosité (d’un facteur 1.7) minimise les biais introduits par les décalages en temps lors de l’échantillonnage

coefficients de coefficients de filtrage optimal filtrage optimal (OFC): (OFC):

t

ADCADC_picpic

ADCADC_picpic∞ E∞ E_{déposédéposé}

I. Reconstruction du signal et I. Reconstruction du signal et

é é talonnage talonnage du calorimètre du calorimètre électromagnétique

électromagnétique

Test en faisceau de 2004

Prédiction du signal de physique

Production des coefficients de filtrage optimal Reconstruction de l’énergie

Résumé

Le test en faisceau de 2004 Le test en faisceau de 2004

test en faisceau combiné: test en faisceau combiné:

objectifs: objectifs:

tranche complète d’ATLAS électronique finale

90 millions d’événements : e, π, μ,γ,p énergie de 1 à 300 GeV

performances combinées des sous détecteurs valider la modélisation Monte Carlo

validation du code de reconstruction et d’

étalonnage dans l’environnement logiciel : ATHENA

caractéristiques : caractéristiques :

acquisition cadencée à 40 Mhz comme au LHC faisceau asynchrone contrairement au LHC

dispositif

calorimètre électromagnétique calorimètre électromagnétique TRT

TRT

calorimètre calorimètre hadronique hadronique

chambres chambres à muons à muons chambres

chambres à muons à muons

cryostat et module cryostat et module prototype du prototype du calorimètre calorimètre

électromagnétique électromagnétique

Différence entre le signal Différence entre le signal de physique et d’étalonnage de physique et d’étalonnage

signal de physique g_physique dans ATLAS

t

ADCADC_picpic

5 échantillons espacés de 25 ns

dont 1 échantillon proche du maximum(+/-2 ns)

t

ADCADC_picpic

32 échantillons espacés de 25 ns retard programmable :

échantillonnage toutes les 1.04 ns

signal d’étalonnage g _étalonnage

g_physique g_étalonnage MM_{physphysiqueique}

MM_{étalonnageétalonnage} pour une même charge injectée les

signaux de physique

g

d’étalonnage

g

besoin de prédire le signal de physique

g

pour calculer MM / MM

g

= g

* H(t) différence :

H(t) de forme g

≠ g

de point d’injection

Prédiction du signal Prédiction du signal

de physique de physique

signal de physique au test en faisceau

t

ADCADC_picpic

6 échantillons espacés de 25 ns

faisceau asynchrone

particules avec une phase aléatoire [0-25 ns]

forme de physique

g

signal de physique prédite gphysique prédite

paramètres fixés paramètres libres

g

ajustée à la g

pour différents courants injectés

am pl itu de ( u. a)

temps (ns) signal de physique : signal de physique :

électrons de 250 GeV coupures de sélection :

nombre d’événements par cellule : 1000 Epré-échantillonneur, avant, arrière > 1 GeV et E^milieu> 7 GeV

η

η=0.8

particules

g

g

signal de physique

0.6<η<0.8 problème de Haute Tension

η >0.8 qualité des données ne permettent pas de reconstruire de bonnes formes de physique

co up s d’ A D C signal d’étalonnage

temps (ns)

Reconstruction du signal Reconstruction du signal d’étalonnage et de physique d’étalonnage et de physique

module

φ

pour différents courants injectés

Ajustement Ajustement

temps (ns)

am pl itu de ( u. a)

compartiment avant

ajuster les prédictions gphysique prédite aux courbes de physique mesurées g^physique résidus autour de 2 % au maximum

calcul de M^physique/M^étalonnage

calcul des jeux de coefficients de filtrage optimal pour toutes les cellules

ajustement : ajustement :

ré si du s g

g

résidus

g

- g

g

résidus =

Reconstruction Reconstruction

de l’énergie de l’énergie

reconstruction de l’énergie d’une cellule : reconstruction de l’énergie d’une cellule :

utilisation des coefficients de filtrage optimal

coefficients de filtrage optimal rapport des maximas :

g_physique sur g_étalonnage extraction du

Monte Carlo + test en faisceau calcul à partir des

valeurs mesurées des composants d’étalonnage

co up s d’ A D C

DAC

déterminés par une procédure d’étalonnage

amas de taille fixe 

×

×

aucune correction : pertes latérales, vers l’arrière, ….

Résolution de la réponse en Résolution de la réponse en

fonction de

fonction de η η sans correction sans correction

reconstruction de l’énergie d’un amas : reconstruction de l’énergie d’un amas :

balayage en η (η<0.6)

én er gi e (G eV )

η

=0.28

én er gi e (G eV )

énergie (GeV)

électrons de 180 GeV

Résumé Résumé

perspectives : perspectives :

résumé et contributions : résumé et contributions :

code de prédiction des formes de physique migré dans ATHENA testé et validé avec les données du test en faisceau de 2004 production des coefficients de filtrage optimal

validation de la chaîne de reconstruction de l’énergie avec les OFCs

prouver que l’on peut prédire les formes de physique avec 5 échantillons au LHC

préparer le code et la stratégie pour le démarrage du LHC

II. Identification des leptons II. Identification des leptons  

dans leurs désintégrations dans leurs désintégrations

hadroniques hadroniques

Processus de physique avec des leptons  Caractéristiques des leptons 

Algorithmes TauRec

Tau1P3P

Première comparaison TauRec/Tau1P3P

Résumé

boson de Higgs du Modèle Standard (VBF) qqH → qqττ

Z → ττ W→ τντ

désintégration du boson de Higgs : désintégration du boson de Higgs :

processus du Modèle Standard : processus du Modèle Standard :

important pour la mise en route du détecteur

Processus de physique Processus de physique

avec des l

avec des l eptons eptons  

canal VBF très important pour un Higgs de basse masse : 115 GeV/c

< m

< 145 GeV/c

désintégration en une paire de leptons τ

m_Higgs (GeV)

m_Higgs (GeV )

signification statistique

rapport d’embranchement

production par fusion de bosons vecteurs faibles (VBF) 10%-20%

(m_Higgs=115-145 GeV/c²)

5σ

Les leptons Les leptons  

état final rapport

d’embranchement (%)

type de désintégration e υ_e υ_

17.8 leptonique

(35.2%)

μ υ_μ υ_ 17.4

π υ_ 11.1 hadronique

1 particule chargée (46.5%)

π π⁰ υ_ 25.1

π + n π⁰ υ_ n ≥2 10.3

π π π υ_ 9.5 hadronique

3 particules chargées

propriétés des leptons propriétés des leptons  :  :

lepton τ

m

= 1776.99

MeV c = 87 μm

modes de désintégration des leptons modes de désintégration des leptons  :  :

désintégrations hadroniques

jets

désintégrations leptoniques

e, μ



Candidats

Candidats jets jets  

jet τ

π

π

π

π

reconstruction des candidats jets reconstruction des candidats jets  :  :

échantillons Z→ττ

caractéristiques

amas calorimétrique bien collimé

petit nombre de traces chargées associées région

|η|<2.5 zone limite du détecteur interne

jets QCD

électrons : gerbe tardive ou important bremsstrahlung muons interagissant dans les calorimètres

TauRec et Tau1P3P

bruit de fond identifié comme des jets bruit de fond identifié comme des jets  :  :

algorithmes de reconstruction des jets algorithmes de reconstruction des jets   dans ATLAS: dans ATLAS:

Reconstruction Reconstruction

TauRec (algorithme officiel) : TauRec (algorithme officiel) :

initié par différents objets : amas calorimétrique ou trace association des traces aux candidats jets 

étalonnage de l’énergie des jets  (calorimètres)

initié par une trace de bonne qualité

construction des candidats jets  avec 1 ou 3 traces

étalonnage de l’énergie des jets  (détecteur interne et calorimètres)

détermination des variables discriminantes identification des jets 

Tau1P3P (nouvel algorithme): Tau1P3P (nouvel algorithme):

p

(GeV)

résolution (%)

détecteur interne calorimètres

pour TauRec et Tau1P3P : pour TauRec et Tau1P3P :

pions

TauRec : pré-sélection TauRec : pré-sélection

algorithme de reconstruction algorithme de reconstruction

des jets des jets  par défaut dans ATLAS :  par défaut dans ATLAS :

amas (E

>15 GeV), ou une trace (p

> 2 GeV)

association des traces aux candidats jet  si ΔR=√(Δη

+Δφ

)<0.3

candidat jet  de TauRec

η nombre de traces u.a efficacité de reconstruction

eff



coupure

ΔR<0.4

ΔR<0.3

TauRec : variables TauRec : variables

détermination des variables discriminantes pour l’identification des jets  et pour la réjection des jets QCD

u.a

R_EM

rayon électromagnétique R

: jet τ : jet mince

petit profil dans la direction transverse

jet QCD : pour de grands p

grand boost

jet plus étroit

TauRec : identification TauRec : identification

étalonnage de l’énergie des jets 

poids (Monte Carlo) appliqués sur l’énergie dépendant de la densité en énergie (à la H1)

coupure sur les variables discriminantes

jet  identifié par TauRec

u.a

σ = 10.4%

 = -1.8%

(E_T^τreconstruit – E_Tvrai τ visible)/ E_Tvrai τ visible

possibilité d’être initié à partir de différents objets bonne efficacité de reconstruction

bonne résolution en énergie

caractéristiques des leptons  dans leur mode hadronique :

1 trace + n π⁰ (Tau1P) 3 traces + n π⁰ (Tau3P)

trace de bonne qualité (pT> 9 GeV),

recherche des traces voisines (pT> 2 GeV, ΔR<0.2) 1 trace de bonne qualité

+ pas de trace voisine + 2 traces voisines

nouvel algorithme de nouvel algorithme de reconstruction des jets

reconstruction des jets  dans ATLAS :  dans ATLAS :

|η|

efficacité de reconstruction

candidat jet 

de Tau1P candidat jet  de Tau3P

eff



Tau1P

|η|

efficacité de reconstruction

Tau3P

eff



Tau1P3P : pré-sélection

Tau1P3P : pré-sélection

Tau1P3P : variables Tau1P3P : variables

détermination des variables discriminantes pour l’identification des jets

 et pour la réjection des jets QCD

Tau3P

u.a

ΔE_T¹²

ΔR<0.1 ΔR<0.2

fraction d’énergie déposée ΔE

:

jet τ : jet bien collimé

jet QCD : pour de grands p

grand boost

jet plus étroit

Tau1P3P : identification Tau1P3P : identification

étalonnage de l’énergie des jets  technique du flux d’énergie

information du détecteur interne et calorimètres

coupure sur les variables discriminantes

Tau1P

u.a u.a

(E_T^τreconstruit – E_Tvrai τ visible)/ E_Tvrai τ visible

Tau3P

jet  identifié

par Tau1P jet  identifié par Tau3P

σ = 10.1%

 = -1.7%

initié à partir d’une trace

séparation des jets  avec 1 ou 3 traces

bonne résolution en énergie

Comparaison Comparaison

TauRec/Tau1P3P I TauRec/Tau1P3P I

meilleure efficacité de reconstruction des candidats jets  de TauRec que ceux de Tau1P3P

efficacité de reconstruction des jets efficacité de reconstruction des jets  :  :

efficacité de reconstruction

|η| |η|

efficacité de reconstruction

normalisée par les  avec 1 trace normalisée par les  avec 3 traces

trace de bonne qualité avec Tau1P3P

séparation des jets  avec 1 ou 3 traces avec Tau1P3P

Comparaison Comparaison

TauRec/Tau1P3P II TauRec/Tau1P3P II

facteur de réjection des jets QCD : facteur de réjection des jets QCD :

coupures séquentielles sur les variables discriminantes pour TauRec/Tau1P3P en gardant la même efficacité de reconstruction et d’identification

1 trace 3 traces résolution en énergie : résolution en énergie :

meilleure résolution en énergie avec Tau3P résolutions de TauRec et Tau1P comparables

meilleure résolution en énergie avec Tau3P

bien meilleur facteur de réjection avec Tau1P3P

calcul d’une vraisemblance:

8 variables discriminantes : R

, ΔE

, nbr de traces …

pour un efficacité donnée (20 à 70 %)

coupure sur la vraisemblance dépendant de l’énergie E

méthode d’identification optimisée seulement disponible pour TauRec

TauRec : identification TauRec : identification

ε=50%

J2 : R 40 J3 : R 100 J5 : R 200

efficacité reconstruction et d’identification

facteur réjection

méthode de vraisemblance : méthode de vraisemblance :

1 trace 3 traces

  

  

meilleur facteur de réjection avec la vraisemblance (TauRec)

pour Tau1P3P avec une méthode optimisée : meilleurs facteurs de réjection

attendus

Résumé Résumé

TauRec donne de bonnes performances avec la possibilité de démarrer avec différentes options et a une bonne efficacité de reconstruction

Tau1P3P a une efficacité de reconstruction plus faible, mais un bien meilleur facteur de réjection et une meilleure résolution en énergie pour les candidats Tau3P

comparaison entre TauRec et Tau1P3P

validation des échantillons Monte Carlo produits par la collaboration

première étude avec le format de données pour analyse (AOD), utilisation des données les plus récentes et comparaison dans les mêmes conditions

étude avec un plus large éventail d’échantillons (plus grande gamme en E_T) comparaison du facteur de réjection en utilisant la même méthode optimisée

résumé : résumé :

contributions : contributions :

perspectives : perspectives :

III. Recherche d’un boson de Higgs III. Recherche d’un boson de Higgs

du Modèle Standard du Modèle Standard

Le signal et les bruits de fond Coupures de sélection

Résultats en simulations rapide et complète Potentiel de découverte

Résumé

Signal Signal

fusion de bosons vecteurs faibles : V=W, Z qq  qqVV  qqH (H  )

avec H→→hadron(s) υ

+ l υ

υ

m

= 120 GeV/c

σRE = 340 fb

2 jets très énergétiques vers l’avant pas de jets centraux

2 jets, un vers l’avant et l’autre vers l’arrière 1 jet  central

1 lepton central

de l’énergie transverse manquante

les bosons émis sont des singlets de couleur signal : signal :

topologie particulière : topologie particulière :

signature dans le détecteur : signature dans le détecteur :

u.a

η ^quark





jets

produits de désintégration du Higgs

quarks qui rayonnent les bosons

Bruits de fond Bruits de fond

bruit de fond irréductible : bruit de fond irréductible :

bruit de fond réductible : bruit de fond réductible :

Z + 2 jets avec Z→

calcul des éléments de matrice LO radiation de gluons « parton shower »

Z+2 jet contient en réalité Z+3 et même Z+4 jets

problème de double comptage

nouvelle description plus

correcte des processus

multi jets : première étude

ancienne description des

processus multi jets :

Pré-sélection Pré-sélection

pré sélection :1 lepton isolé + 1 jet  + deux jets ou plus déclenchement sur les leptons : E

> 25 GeV ou P

> 20 GeV

coupure sur le E

du jet  : E

> 40 GeV (pour une bonne réjection des faux )

étiquetage des jets vers l’avant et l’arrière : 2 jets étiquetés (bien séparés)

coupures de pré-sélection : coupures de pré-sélection :

u.a u.a

E ^{jet pT max} (GeV)

Masse invariante Masse invariante

coupure pour la reconstruction de masse de la paire de  : m

reconstruction de la masse invariante : reconstruction de la masse invariante :

(p

+ p

) = p

/x

+ p

/x

= p

+ p

+ p

j1

j2

H l

υ υ

υ jet-τ

approximation colinéaire

où x

et x

sont la fraction du moment du parent τ portée par le lepton ( τ→υ

υ

l) et par

le jet τ (τ→ υ

had)

nombre d’événements

M_ττ(GeV/c²)

_ττ=118+/-10 GeV/c²

Sélection finale Sélection finale

m

(l,p

) = ( (E

(l) + E

)

-|pT(l) + p

|

)

< 30 GeV E

> 30 GeV

m

> 700 GeV

veto sur le jet : pas de jet avec E

>20 GeV

entre les 2 ”jets étiquetés ”

coupures de sélection finales : coupures de sélection finales :

à haute luminosité ~23 événements se superposent au processus dur très efficace pour éliminer les bruits de fond

supprime le signal

à basse luminosité : ~4 événements se superposent au processus dur

σ×RE (fb) après la pré sélection et après toutes les coupures :

signification statistique S/√B

Résultats Résultats

génération H→ττ

Z+jj (QCD)

Z+jj (EW)

Z+j

Z+n jets n=0 à 5

t t W+j

coupure de pré

sélection (σ×BR en fb) 29.7 2.74×10⁴ 58.3 1.66×10⁴ 2.28×10⁴ 1.76×10⁴ 6.65 ×10⁴

fenêtre en masse (σ×BR en fb)

0.51 0.20* 0.03 0.11 0.36 0.0* 0.01*

nbr d’événement 30 fb^-1

15.3 6.0*

0.9* 3.3 10.8 0.0* 0.3*

signal bruits de fond irréductibles bruits de fond réductibles résultats de la simulation rapide : résultats de la simulation rapide :

nouveau résultat

S/√B = 4.7 : Z+jj(QCD+EW), Z+j, t t, W+j

S/√B = 4.4 : Z+n jets, Z+jj(EW), t t, W+j incertitude théorique%

sur le bruit de fond Z jets

faible statistique

Premiers résultats avec la Premiers résultats avec la

simulation complète simulation complète

premiers résultats avec la simulation complète : premiers résultats avec la simulation complète : E

est l’observable la plus délicate

effet de l’énergie transverse manquante

E_T^manq simulation E_T^manq simulation vraie E_T^manq

rapide complète complète

Étude des performances de la Étude des performances de la

simulation complète simulation complète

performances avec la simulation complète : performances avec la simulation complète :

u.a

acceptance plus faible pour les électrons et les muons

étalonnage médiocre pour les jets et les jets 

ETmanq optimiste avec la simulationrapide

pour le signal : manque de statistique

bruit de fond non simulé

E_T^manq (reconstruite)– E_T^manq(vraie) (GeV)

σ = 8.1 GeV

 = 1.2 GeV σ = 10.6 GeV

 = -1.1 GeV

découverte possible pour un Higgs de basse masse 115 GeV/c

< m

< 145 GeV/c

pour 3 ans à basse luminosité (30 fb

) canal très important

expérimentales : E

, identification des 

simulation : description des Z + n jets théorique : incertitude ~ 30%

autres : empilement, calibration ….

problème : veto dans la région centrale

Potentiel de découverte Potentiel de découverte

Signification statistique

découverte

m_Higgs (GeV/c²)

5σ résultat :

résultat :

erreurs systématiques : erreurs systématiques :

à haute luminosité : à haute luminosité :

nouveau point

Résumé Résumé

résumé : résumé :

contributions : contributions :

perspectives : perspectives :

découverte possible pour un Higgs de basse masse mHiggs = 120 GeV/c² importance de la bonne description du bruit de fond Z+ multi jets

bonne reconstruction de l’énergie transverse manquante primordiale

validation de la simulation rapide

première étude avec le fond Z+ n jets correctement décrit

comparaison des performances d’identification entre les simulations rapide et complète rapide survol avec la simulation complète

étude du bruit de fond avec beaucoup plus de statistique (Z+n jets) étude et compréhension des performances de la simulation complète

Perspectives Perspectives

mise en route : mise en route :

premières données : premières données :

recherche du Higgs : recherche du Higgs :

comprendre la réponse du calorimètre électromagnétique avec les données de muons cosmiques

constantes d’étalonnage pour les premières collisions

compréhension des événements de biais minimum validation et amélioration de l’étalonnage Z→ee étude des performances de reconstruction et d’identification pour Z→ττ

étude de l’énergie transverse manquante

•

compréhension de la description Monte Carlo de Z + n jets

grâce aux données

Transparents

Transparents

supplémentaires

supplémentaires

Le Modèle Standard Le boson de Higgs Le LHC

L’expérience ATLAS Le détecteur interne Les calorimètres

Le spectromètre à muons

Le calorimètre électromagnétique Principe et segmentation

La chaîne de lecture

Coefficients de filtrage optimal

Plan Plan

Le test en faisceau de 2004

Différence entre le signal de physque et d’étalonnage Prédiction du signal de physique

Reconstruction du signal de physique et d’étalonnage Ajustement

Reconstruction de l’énergie

Résolution de la réponse en fonction de η sans correction Résumé

Plan Plan

Processus de physique avec des leptons  Les leptons 

Candidats jets  Reconstruction

TauRec : pré-sélection TauRec : variables

TauRec : identification Tau1P3P : pré-sélection Tau1P3P : variables

Tau1P3P : identification

Comparaison TauRec/Tau1P3P I Comparaison TauRec/Tau1P3P II TauRec :identification

Résumé

Plan Plan

Signal

Bruits de fond Pré-sélection

Masse invariante Sélection finale Résultats

Premiers résultats avec la simulation complète

Étude des performances de la simulation complète Potentiel de découverte

Résumé

Plan Plan

L’expérience

L’expérience

ATLAS au LHC

ATLAS au LHC

Trigger Trigger

Trigger in ATLAS

High Level Trigger Level 1

2.5 μs

~10 ms

~sec

PC farms

Level 2

Event Filter

Hz

kHz

kHz

LVL1

Calorimeter+Muon Trigger, coarse granularity

LVL2

Region of Interest, All detectors, full granularity

Event Filter refines the selection,

can perform event reconstruction

using latest alignment and calibration

data (full offline reconstruction)

Le calorimètre électromagnétique

Le calorimètre électromagnétique

Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement

particules η

φ

η

r

développement de la gerbe : absorbeur plomb : X0=0.56 cm ionisation de l’argon liquide électrons d’ionisation

signal

induit par couplage capacitif

collecté par la couche centrale des électrodes

principe : principe :

développement de la gerbe développement de la gerbe

absorbeur

électrode de lecture

Performances Performances

résolution en énergie :

uniformité en position < 0.7% jusqu’à 300 GeV

linéarité en énergie

< 0.5 % pour des énergies de 10 GeV jusqu’au TeV

performances : performances :

limites imposées par la physique: boson de Higgs (H→γγ), bosons lourds (Z’→ee)

terme échantillonnage :a ~ 10 % √(GeV) bruit b : ~ 0.3 GeV à basse luminosité ~ 0.5 GeV à haute luminosité terme constant : c ~ 0.7 %

mesurées en test en faisceau

Tests électriques

Tests électriques

Profondeurs du calorimètre Profondeurs du calorimètre

électromagnétique

électromagnétique

signal de physique signal d’étalonnage

Reconstruction du signal Reconstruction du signal d’étalonnage et de physique d’étalonnage et de physique

pour différents courants injectés

am pl itu de ( u. a) co up s d’ A D C

temps (ns) temps (ns)

signal de physique : signal de physique :

électrons de 250 GeV 0 < η < 0.8

coupures de sélection

cellules avec assez d’événements

module

η

η=0.8

φ

φ particules

g

g

méthode de convolution en temps (TCM) utilise les formes de physique et d’étalonnage

Prédiction du signal Prédiction du signal

de physique de physique

transformée de Laplace

_cali= constante de décroissance f_step= 0.065

_r = rC

₀ = (LC)

_cali



f_step

T_d

prédiction du signal de physique : prédiction du signal de physique :

point d’injection

 forme du signal

étalonnage

physique

g

= g

* H(t) ajusté à la g

_cali

paramètres libres:

paramètres fixés:

g

(s)= g

(s)

M M _{physique physique} /M /M _{étalonnage étalonnage}

MM_phyphyss MM_cslicsli

A correction for the M

/M

factor is needed (5-10%)

L’identification des leptons

L’identification des leptons τ τ

Efficacité, réjection Efficacité, réjection

nbr candidat jet  (reconstruit,identifié jet  et venant d’un vrai  hadronique )

facteur réjection_{jets QCD} = nbr vrai jet partonique (q,g)

nbr candidat jet  (reconstruit,identifié jet  et venant d’un vrai parton )

eff reconstruction =

nbr candidat jet  (reconstruit et venant d’un vrai  hadronique )

bosons de Higgs d’une extension Supersymetrique du Modèle Standard (MSSM) (A/H, H⁺)

A

/H

→ ττ, H

→ τ

+ν

signature de processus supersymètrique avec des  dans l’état final

dimensions supplémentaires … nouvelles théories (?)

désintégration du(des) bosons de Higgs : désintégration du(des) bosons de Higgs :

processus exotiques : processus exotiques :

Leptons

Leptons   : au-dela du : au-dela du Modèle Standard

Modèle Standard

m_A (GeV)

tan β

  distribution distribution

E (MeV )

TauRec I

TauRec I

TauRec II

TauRec II

Tau1P3P I

Tau1P3P I

Tau1P3P II

Tau1P3P II

Tau1P3P III

Tau1P3P III

  triggers triggers

Possible way of selecting taus with the ATLAS trigger

Lepton Trigger

trigger with the electron or the muon

Hadronic Tau Trigger - LVL1 Tau Trigger ( Calo)

use EM (0.2×0.2) and hadronic (0.2×0.2) towers to define a Region of Interest and also for the isolation

in the EM (1.2×1.2) and hadronic (1.2×1.2) calorimeter

- LVL2 Tau Trigger ( Calo+Tracking)

evaluating offline variables : em radius of the cluster, width in energy deposition, isolation fraction, track …

- Event Filter

based on the default -jet reconstruction code

 

lepton

 

hadrons

PRELIMINARY

trigger efficiency : still under evaluation

LVL1 Tau-Trigger LVL1 Tau-Trigger

‘

Hadronic Cal.

EM Cal. ^2-Tower _{EM cluster}

• A 2x2 tower EM cluster + 2 x 2 hadronic cluster used to ID cand.

ROIs

• A 2x1/1x2 tower EM clusters added to the energy in the hadronic inner

region (shown in red) is compared to a threshold. There are 4 in the ROI the highest ET is taken.

• A ring of 12 EM towers surrounding the clusters, which is used for isolation in the EM calorimeters

• 12 hadronic towers (behind the EM isolation ring) for isolation in the hadronic calo.

Tau trigger at LVL1

Le Modèle Standard Le Modèle Standard

et et

le boson de Higgs

le boson de Higgs

Simulation Simulation

Génération

Simulation rapide Simulation complète

Génération des événements :

• processus de production

• désintégrations successives générateur Monté Carlo : Pythia 6.205

listes des particules qui arrivent au niveau du détecteur (η, φ, E, P)

• interaction de chaque particule avec le détecteur (Geant 3)

• reconstruction des traces et des amas d’énergie (Athena 7.8.0)

• identification des particules

• on applique à chaque type de particule l’efficacité d’identification du détecteur

• on dégrade l’énergie et la position des particules en fonction de la résolution du détecteur (Atlfast 2.60)

listes des particules reconstruites détecteur (η, φ, P

) : électrons, muons, jets de taus, photons, jets

analyse d’un canal de physique

Définitions Définitions

N=∫Ldt×σ×ε L: luminosité (cm

s

) nombre de particules/unité de surface qui tient compte de la fréquence de collision, de la densité et de la forme du faisceau par unité de temps

σ: section efficace (cm

) proportionnelle à la probabilité que l’interaction ait lieu

ε ^=N

^/N

^{×100(%) ε:} efficacité des coupures (en %) sur le Pt, etc … on veut augmenter le rapport Signal (S) sur Bruit (B)

R=N

/N

^R : facteur de rejection des coupures sur le Pt , etc … il doit être grand de manière à supprimer le bruit de fond

(pour le signal)

(pour le bruit de fond)

S/√B

RE = Г(H→ττ)/Г(H)

Signifiance (en nombre de σ) où S désigne le nombre d’événements de signal et B celui de bruit de fond

3σ = évidence et 5σ = découverte

RE : rapport d’embranchement où Г représente la largeur désintégration ( Г ⁼¹ /τ, τ temps de vie)

σ(m )/<m > ×100(%) résolution de la masse du Higgs(%)

Principe d’un générateur Monte Principe d’un générateur Monte

Carlo 1/2 Carlo 1/2

gerbe de parton (PS) dans l’état initial et final (comme Pythia,Herwig)

éléments de matrice : NLO sous-processus « dur » :

désintégration des résonances :

ref : LHC Physics Event Generator Torbjon Sjostrand

Simulation of High Multiplicity Jet and Lepton Final-States

Peter Richardson

calcul le résultat à un ordre donné

et/ou

Principe d’un générateur Monte Principe d’un générateur Monte

Carlo 2/2 Carlo 2/2

ISR,FSR ou/et éléments de matrice

hadronisation:

PYTHIA : modèle de LUND (modèle des cordes)

hadronisation:

HERWIG : modèle des amas

désintégration : hadroniques,τ…

background background

irreducible background:

Z + jets (EW and QCD) where Z  ττ reducible background :

W + jets (EW and QCD) where W  lν

l=e,μ

tt  WbWb where one W  lν

l=e,μ,τ and the other W  all

a light quark or a b jet could fake a hadronic τ decay

and tagging jets could come from either W decay or

initial/final state radiation