eve chareyre

Identification des électrons dans la partie avantdu calorimètre électromagnétique d'ATLAS au LHC

et analyse des premières données

Eve Chareyre

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PLAN

➢ Le LHC et l'expérience ATLAS

➢ Motivations d'exploiter les électrons

➢ Études à partir du générateur Pythia

➢ Les tests en faisceaux

➢ Les données

➢ Reconstruction des électrons à l'avant

➢ Les méthodes discriminantes

➢ Les résultats

1ère partie : Introduction 2ème partie : Identification desobjets électromagnétiques à l'avant

3ème partie : Application aux premières données➢ Les données réelles

➢ Les données simulées à biais minimum

➢ Comparaison données/données simulées

13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 3

INTRODUCTION


Le Large Hadron Collider

Circonférence : 27 km

Profondeur : 50 à 175 m

ATLAS

CMS

ALICE

LHCb


Le programme de physique au LHC

Un large domaine d'étude :

Découverte du boson de Higgs dans le cadre du Modèle Standard entre 114 GeV et 1 TeV s'il existe

Recherche du boson de Higgs dans des modèles plus exotiques (supersymétrie...)

Mise en évidence d'une nouvelle physique (boson W', Z', supersymétrie)

Affinement des mesures pour les propriétés des particules du Modèle Standard :

Propriétés du quark top Propriétés des bosons W et Z

Etude des processus QCD

6

La chaîne d'accélération

Avantage de collisions protonproton

✗ limitation du rayonnement synchrotron

✗ énergies très élevées

✗ pas d'antiproton à produire

Luminosité : actuelle 103 1 cm 2 s 1

(collisions à 7 TeV)

prévue 103 4 cm 2 s 1


Prises de données de 900 GeV à 7 TeV

FinduLEP

Construction du LHC

Arrêt

21 n

ove m

bre

2009

Été

200

4

2 no

vem

bre

2 000

19 s

ept e

mbr

e 20

08

10 s

ept e

mbr

e 20

08

1er démarrage

Tests en faisceaux combinés

Chronologie du LHC

Redémarrage

8

Détecteur interne :● Pixels● SCT● TRT

➔Reconstruction destraces et des vertex

primaires➔Séparation e/

Calorimètre électromagnétiqueÉchantillonnage PbLAr➔ Reconstruction e, ➔ Mesure d 'énergie et position

Calorimètre hadronique :Fe/scintillateur (partie centrale)Cu/LAr (partie avant)➔ Reconstruction des jets ➔ Mesure E

T manquante

Spectromètre à muons : Champ magnétique toroïdal+ aimants supraconducteurs➔ Chambres à fils : déclenchement + mesures trajectoires

Système de déclenchement :3 niveaux ➔ Réduction desdonnées de 40 MHz à 100 Hz

Longueur ~ 46 m, diamètre ~ 22 m, 7000 tonnes, 108 capteurs

A Toroïdal LHC ApparatuS

9

Prise de données d'ATLAS

Efficacité de prise de données : 95 %Luminosité : 1.0 ×1031 cm−2 s−1

1e r candidat W1e r candidat Z

1e r candidat top

10

Perspectives du LHC à court/moyen terme

7 TeV

Luminosité intégrée actuelle : 3.6 pb1

Fin 2010

Fin 2011 : 1 fb1

Niveau de détectabilité d'un processus donné

A l'horizon 2011 :

Mesures de précision sur les sections efficacesdes bosons Z et W ainsi que du quark top

Limites sur le boson de Higgs standard


La découverte du boson de Higgs nécessite un système calorimétrique performant :

Une acceptance la plus large possible

Une résolution en énergie de avec un terme constant très petit (<0.7%)

Une bonne granularité (0.025*0.025 en et dans le compartiment 2) pour l'identification des e+, e et jets

Mesure des positions avec une résolution de

Découverte du Higgs

Jets Photons

électrons

Missing Et

10%/E

50 mrad /E

100%/ERésolution des jets

13/09/2010 12

Calorimètre électromagnétique

Coordonnées pseudoprojectives en , :

= ln(tan( /2))

=1.475

=3.2

=0

HEC : Hadronic End Cap

EMEC : Electromagnetic End Cap

Structure du calorimètre électromagnétique

A :00.8 B : 0.81.475 D : 1.3752.5 C : 2.53.2 (granularité plus grossière

dans la partie centrale)

pas de suivi des traces chargées!

Structure en accordéon dans le barrel et endcap couverture hermétique géométrie parfaitement projective en et

C

DBA

Structure Argon liquide + plomb : bonne toléranceaux radiations


Motivations pour aller chercher les électrons à l'avant

Les bosons W et Z constituent une source importante de production d'électrons :

Z e→ +e

W e→

H ZZ 4l→ →H WW l→ → l

Une des désintégrations possibles duquark top est :

t Wb→

Plusieurs signatures du Higgs peuventcontenir un électron :

Densité de bruit de fond plus importanteà l'avant :

Interactions entre faisceaux et gaz

Particules du halo des faisceaux

Augmentation sensible de la statistique en e


Les sources de production des électronsVia le boson Z

Section efficaces qui augmentent avecl'énergie dans le centre de masse.

Production par annihilation de paires q qbar dominante


Désintégration en paire de leptons

Electrons à haute impulsion transverse

e+,e partie centrale

e+ e partieavant

1 avant1 centrale

13/09/2010 17

Les sources de production des électronsVia le boson W W − e W −− e−

Distributions en y fortement différentes (comportementnon symétrique en q et qbar)

Collisions pp @ 14 TeV Collisions ppbar @ 14 TeV

Proton : 2 quarks u et un quark d

Asymétries de charge

W +≠W

W +=W

2 fois + de quarks u que d

13/09/2010 18

Collisions pp @ 14 TeV Collisions ppbar @ 14 TeV

Désintégration en et

Absence d'antiquarks de valence dans les collisions pp +Couplage du W aux fermions dans les interactions électrofaibles

W − e

W −− e−

Asymétries de charge plus larges que pour le W

→ couplage du W aux fermions


W e

W + e+

20Les électrons sont détectés majoritairement dans la partie centrale

Désintégration en mode leptonique

e+ e partie centrale

e+ e partie avant

1 partie avant1 partie centrale

Les sources de production des électronsVia le J/ª

7 TeV 7 TeV

7 TeV


Identification des objets électromagnétiques à l'avant

22

Les tests en faisceaux

Données de pions et d'électrons : 6 GeV < E < 200 GeVConfiguration aussi proche

que possible de celle d'ATLAS

BPC : chambre à fils V, M1, M2 : parois scintillantes S, B : compteurs à scintillations

Position du pointd'impact : = 2.8

(+ grande variété de types de faisceaux utilisés)

Ligne H6


Les données

Faisceau étroit~ 1cm

Faisceau plus large : ~ quelques cm

2 périodes de prises de données

4000 prises de données : 80 millions d'évènements

Pions, électrons, muons : 6 GeV < E < 200 GeV

Les données de tests en faisceaux Les données simulées

Simulation complète,géométrie ATLAS

Pions et électrons :10 GeV < E < 150 GeV

Quantité de matière devant le calorimètre différente !

13/09/2010 24

Reconstruction des électrons

cellule la + chaude

cluster

EMEC compartiments 2 et 3 : 9 cellules

HEC compartiments 0, 1 et 2 : cellules0.25 en22

Energie du « cluster » en fonction de la couverture angulaire en η

Uniformité meilleure que le % !

+ corrections

Taille des cellules dans :

le HEC : 0.2 × 0.2 l'EMEC : 0.1 × 0.1


Les corrections

➢ Corrections de haute tension : 10 %

E corr=Ecell

1 .cell−0

Non uniformité globale due aux variations du champ électrique

➢ Corrections au niveau du cluster

Correction résiduelle en : 2% cellule la + chaude

Particule décentréeParticule au centre

Correction en : < 1%

Non uniformité du champ électriquesuivant (structure périodique desabsorbeurs)

Coefficient de normalisationà l'énergie du faisceau ~ 1

Centre du secteur

0.55

Définition des lots de données :Etude des contaminations (partie I)

Contaminations dans les données de pions

Les électrons déposent leur énergie principalement dans l'EMEC mais peuvent aussi déposer une faible fraction d'énergie dans le HEC

électrons

Electrons contaminant les pions (vérifié dans la simulation)

Comptage du taux d'évènements détectés entre 5 GeV et la position du pic – 3 :

Normaliser le nombre d'évènements détectés sur le même intervalle mais pour un faisceau d'électrons :

Contamination=N 1

N 2

×N1

'

N 2'

N1

N2

N1'

N2'

200 GeV 120 GeV 60 GeV

Constantes en et petites > ne dépendent pas de la géométrie du détecteur

Pour une énergieet une position

pions électrons

La présence d 'électrons dans les données de pionsdétériore l'estimation des facteurs de rejet

27

Définition des lots de données :Etude des contaminations (partie II)

Contaminations en pions dans les données d'électronsLes faux électrons ont été définis comme des évènements déposant plus de 2.5 GeV dans le HEC0 (vérifié

dans la simulation)

Données d'électrons à 60 GeV

Données de pionsà 60 GeV

Données simulées ATLAS pour une géométrie complète du détecteur

Comptage du taux d'évènements détectés au delà de 2.5 GeV

Normalisation du nombre total d'évènementssélectionnés sur le même intervalle mais pour des électrons

200 GeV 120 GeV 60 GeV

Ces contaminations dépendent clairement de l'énergiedu faisceau

La présence de pions dans les données d'électrons détériore l'estimation des efficacités

Liste des coupures qui définissent les lots de pions et d'électrons

Lots d'électrons :

EMEC 2 > 1GeVEMEC + HEC > 5 GeV

EMEC + HEC > Position du pic3HEC 0 > 2.5 GeV

Contaminations résiduelles ~ 0.1 %

Lot de pions :

EMEC 2 > 1 GeVEMEC + HEC > 5 GeV

EMEC + HEC > position du pic 3

Contaminations résiduelles ~ 0.5 %

Liste des coupures

muons

muons

A 10 GeV uniquement coupure sur les muons !


L'analyse discriminante : Description des différentes étapes

● Première étape : l'analyse séquentielle ➔ Appliquer des coupures pour maximiser l'efficacité➔ Sélectionner les variables les plus discriminantes➔ Calculer l'efficacité et le facteur de rejet pour chaque énergie

● Deuxième étape : la méthode du Fisher

➔ Fixer l'efficacité à celle utilisée pour l'analyse séquentielle et estimer le facteur de rejet➔ Fixer l'efficacité à 50 % et estimer le facteur de rejet

● Troisième étape : la méthode des Boosted Decision Trees

➔ Fixer l'efficacité à celle utilisée pour l'analyse séquentielle et estimer le facteur de rejet➔ Fixer l'efficacité à 50 % et estimer le facteur de rejet

30

Variables choisies pour l'analyse

Variables dans le HEC Variables dans l'EMECEhec/Etot Ehec0/Etot

Ecellhec0/Etot

Eemec2/Etot Moment r2

Efficacité =

Facteur de rejet =

Nombreélectrons sélectionnésNombre total d ' électrons

Nombre total de pionsNombre de pions identifiéscomme électrons


Justification de l'utilisation de méthodes d'analyses multivariées

L'analyse séquentielle n'exploite pas les corrélations entre les variables

Utilisation de méthodes qui tiennent compte des corrélations


Principe général des méthodes d'analyses discriminantes

✔ Un évènement est décrit par k variables (variables les plus discriminantes)

✔ Les évènements peuvent être classés en n classes :

H1 … H

n

✔ De manière générale, un classificateur peut avoir

jusqu'à n classes

✔ Dans le cadre de l'analyse présentée, il y a seulement 2 classes : Le signal et le bruit

✔ The Toolkit for Multivariate Analysis (TMVA) : maximiser la séparation entre signal et bruit


L'analyse discriminante de Fisher

Discriminant de Fisher

C1

C2

F

x1

x2

x

yFi i =F0∑1

N

ak xk

● Deux classes C1 et C2,

● Décrites par un nombre de variables : x1, x

2, … x

p

● Son objectif étant d'identifier la droite F telle que les

projections des deux classes soient aussi bien

séparées que possibles

Discriminant de Fisher : direction de l'espace qui rend le critère de Fisher maximal.

Le terme de décalage F0 centre la moyenne de l'échantillon y

F i sur tous les évènements

(NS + N

B) à zéro = taux maximal de mauvaise

identification« Poids » de la variable variable

34

L'analyse discriminante des Boosted Decision Trees

Un arbre de décision est une série de coupuresqui partagent l'échantillon en plus petits arbres : les feuilles sont affectées du statut S ou B

Croissance : Chaque échantillon essaie de maximiser le gain en séparation :

Boosting :

Supprimer les noeuds insignifiants

Création de deux lots d'évènements : entraînement et test

Augmenter le poids des évènements malidentifiés création d'un nouvel arbre de décision→

Classificateur final : « forêt » d'arbres de décision linéairement combinés

S,B

S1,B

1S

2,B

2


Résultats de l'analyse de discriminante (I)

Distributions de Fisher pour chaque énergie

Création d'un Fisher/BDT combinant toutes les énergies :

Récupération des coefficients obtenus à partir du Fisher/BDT moyen Reconstruction d'un Fisher/BDT énergie par énergie mais avec lescoefficients du Fisher/BDT moyen Calculs des facteurs de rejet, énergie par énergie, pour une efficacité donnée

Distributions des Boosted Decision Trees pour chaque énergie


Résultats de l'analyse discriminante (II)

Facteurs de rejet obtenus avec une efficacité fixée à celle de l'analyse séquentielle

Facteurs de rejet obtenus avec une efficacité fixée à 50 %

Facteurs de rejetlimités par les contaminations résiduelles

A haute énergie, peu de pions passent les coupures de sélection et sont identifiés à tort comme électrons.

37

Efficacité = analyse séquentielleEfficacité = 50%

L'analyse multivariables est clairement plus discriminante!

Pour une efficacité de 50%, on peut obtenir un facteur de rejet de plus de 100 avec la méthode de Fisher et de plus de 200 avec la méthode des BDTs.

Efficacités différentes pour chaque énergie!

13/09/2010 38

Comparaison avec les résultats précédents

Valeurs des efficacités en fixant le facteur de rejet à 10

Valeurs des efficacités en fixant le facteur de rejet à 100

Résultats comparables mais type de données utilisées différent (données TB/simu) → Contaminations qui influencent la valeur de l'efficacité

CERNTHESIS2007027


Les premières données

Données simulées à biaisminimum

655 836 évènements

Energie de collisions : 7TeV

Même software de reconstructionque pour les données

Format de données (D3PDs spécifiques) contenant les informations sur les cellules dont le dépôt est supérieur à 3 fois le bruit

Période : mars à mai 2010

Luminosité totale ~ 200 b1

40

Spectre en impulsion transverse pour les données simulées

Partie centrale (| |<2.5) Partie avant (| |>2.5)

Proportion d'électrons faible

Rapport entre taux de production d'électrons et d'autres particules

A bas Pt (< qques GeV) : rapport ~ 10A haut Pt (> 10 GeV) : rapport ~ 100

A bas Pt : rapport ~ 1A haut Pt : rapport ~ 100

Taux de rejet nécessairepour avoir autant de pions que d'électrons


Nature des particules mères

Provenance des particules « mères »

Partie avant Partie centrale

0

'

83.22 / 75.40

12.29 / 17.11

2.57 / 2.13

0.59 / 1.07

88.20 / 76.50

8.74 / 12.01

1.71 / 3.41

0.82 / 0.26

Utilisation de la vérité Monte Carlo

pT<2 GeVpT>5 GeV

Grande majorité des particules « mères » sont des 0 ou des résonances légères se désintégrant électromagnétiquement

Soutenance de Thèse Eve Chareyre 42

Comparaison données et données simulées

Spectre en impulsion transverse

Spectre des données comparable à celui des

données simulées

Les données réelles ont passéles conditions de déclenchement calorimétrique

Énergie totale du cluster > 40 GeV avec un cluster contenant plus d'une cellule

Préselection sur lesclusters pour les donnéessimulées et réelles


Bon accord entre simulation et données

Les variables discriminantes


Comparaison avec des données de pions et d'électrons purs

Coupure à appliquer pour avoir uneefficacité de détection des électronsde 50 % sur les données

Distributions de Fisher

Distributions des BDTs

Nbre e à 50 %

Nbre e à 80 %

289 409


CONCLUSION

L''étude des tests en faisceaux dans la région avant du calorimètre électromagnétique a permis :

● L'obtention d'un facteur de rejet de plus de 100 pour le Fisher● L'obtention d'un facteur de rejet de plus de 200 pour les BDTs

avec une efficacité d'identification des électrons de 50 %.

● L'application de ces méthodes au premières données du LHC

➢ Vérification accord simulation/données pour les 1ères données

● Augmentation statistique pour identifier les W et Z se désintégrant en leptons avec aumoins un des leptons dans la partie avant

Les études au niveau du générateur ont montré un apport significatif à exploiter les électrons à l'avant :

● De l'ordre de 50 % pour le Z ● De l'ordre de 30 % pour le W


Backup


Contaminations résiduelles dans électrons :

200 GeV 0.4 pour 1000

120 GeV 0.38 pour 1000

60 GeV 2.1 pour 1000

Contaminations résiduelles dans pions :

200 GeV 13 pour 1000

120 GeV 3 pour 1000

60 GeV 0.85 pour 1000

Contaminations résiduelles


Particularités de ce collisionneur

1232 dipôles8.4 T pour courberles protons

Température ~ 2K

12 millions de litres d'azote liquide + 700 000 litres d'héliumliquide

49

Lots d'électrons

Coupure à 5 GeV pour enlever les muons (déposent quelques GeV) pour toutes les énergies

Contaminations essentiellement en pions pour des données à 60, 120 et 200 GeV

Données d'électrons pursau delà du pic 3

Dépôt d'énergie dans le HEC+EMEC pour des données d'électrons à 200 GeV

Dépôt d'énergie dans le HEC0 pourdes données d'électrons à 60 GeV

Quelques pions de contaminations

Dépôt d'énergie dans l'EMEC 2Coupure à 1GeV

50

Lots de pions

Coupure à 5 GeV pour enlever les muons (déposent quelques GeV) pour toutes les énergies

Dépôt d 'énergie dans le HEC+EMECpour des données de pions à 120 GeV

Contaminations essentiellement en électronspour des données à 60, 120 et 200 GeV

Données de pions purs au delà du pic 3

Dépôt d'énergie dans l'EMEC 2Coupure à 1GeV


Nombres d'évènements après les coupures de sélection

Données d'électrons Données de pions

Exemple de mesure envisageable avec les Z

➔ Mesure asymétrie avantarrière dans les événements Z e→ + e

Lagrangien du modèle standard :

L = LY . M .

+ L M a t . + L

H i g g s

Dans le lagrangien de matière :

énergie cinétique des quarks + interaction du courant chargé + courant neutre

JNC=J

3−sin2W Jem

Isospin faible Courant électromagnétique

La partie « faible » viole la parité : on s'attend donc à une asymétrie dans la distribution angulaire des produits de désintégrations !

Précision statistique sur la détermination angle effectif mélange :

~1×10−4

y

z

x

x

y

R

54

Erreurs sur les facteurs de rejet et efficacités

Nb partNb select.

−⟨Nb part

Nb select.⟩

Hypothèse : origine purement statistique

Pour des pions :

=Nb select.

Nb part.

Distributions des écarts à la moyenne

Analyse qui n'exploite pas les corrélations entre les variables !

Utilisation de méthodes qui tiennent compte des corrélations

55

56

Section efficaces qui augmentent avecl'énergie dans le centre de masse.

Désintégrations en mode leptonique :

Interaction des électrons avec la matière

Energie perdue par un électron en fonction de son énergie lorsqu'il traverse du plomb

Section efficace des processus d'interactiondu photon avec le plomb

Gerbe électromagnétique :

Bremsstrahlung création de paires e+ e

Quand l'énergie décroît : Ionisation pour les e dans le

milieu absorbeur (plomb) Effet Compton et photoélectrique

pour les photons

Processus dominant à haute

énergie : perte d'énergie par

Bremsstrahlung (émission d'un photon)

58

Les sources de production des électronsVia le J/ª

Production via une paire de quarks lourds

Distribution en y sensible à l'augmentationd'énergie

900 GeV

1.2 TeV

7 TeV

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