1
Préparation de l’analyse des données d’ATLAS auprès du LHC :
Identification des électrons
Marine Kuna sous la tutelle de Fabrice Hubaut
2
Le Large Hadron Collider Collisionneur proton-proton circulaire (ancien site du LEP) Énergie dans le centre de masse : s = 14 TeV Luminosité nominale : 1034 cm-2 s-1 Premières collisions prévues pour l’été 2008 4 expériences : Alice, LHCb, CMS et ATLAS Formidable ouverture de l’espace des phases
Z’(1TeV)
Higgs(500GeV)
Collisions inélastiques
Tevatron(10 fb-1 ) 10 10 10 15
LHC(10 fb-1 ) 100k 10k 10 15
3
Intérêt de la maîtrise de l’objet électron
Signal noyé dans le bruit hadronique : utilité des leptons, objets simples
Intérêt d’un électron isolé : nombreux canaux pour la calibration (Modèle Standard) et découverte (Higgs, Nouvelle Physique)
Weν
tte+X
MS
ZeeH ZZ 4e
H WW lν lν
Higgs
_
Identification des électrons Calorimètre électromagnétique
ge+X
NP
~
Z’ee
4
Le détecteur ATLAS
p
p
Généralités L ~ 44 m, ~ 22 m 7000 tonnes
Trajectographe interne(silicium + Trajectographe à Rayonnement de Transition)Calorimètres
électromagnétique & hadronique
Solénoïde
Spectromètre à muons
Aimants toroïdaux Système de déclenchement 3 niveaux rejet en ligne ~107
1 GHz 75 kHz 2 kHz 200 HzEn particulier : déclenchement sur les électrons isolés.
5Bouchon des calorimètres
Tonneau des calorimètres
6
Le calorimètre électromagnétique
Calorimètre à échantillonnage Plomb/ Argon liquide (90 K)
Géométrie en accordéon herméticité azimuthale parfaite
Couverture angulaire : ||<3.2 Épaisseur suffisante Grande granularité via une
segmentation longitudinale et transverse 175 000 canaux
>22
X 0
PS (||<1.8 ) évaluation des pertes en amont S1 (0.003x0.1) mesures de position, séparation γ/π° S2 (0.025x0.025) dépôt d’énergie principal S3 (0.05x0.025) queues de haute énergie
7
électron
jet
Variables d’identification
calorimètre électromagnétique
S1 S2 S3
calorimètre hadronique
1er compartiment
variables hadroniquesFuites hadroniques
variables de S2Largeur de la gerbe
Variables de S1
Association entre dépôt calorimétrique et traceE/p, Δη, Δφ
Trajectographe à Rayonnement de Transition
Détecteurs au silicium
Variables de tracesNombre de coups dans les détecteurs, paramètre d’impact
Variables du TRTNombre de coups de haute énergie / nombre de coups total
z
r
8
Exemple : variables calorimétriques (S2)
weta2 : largeur de la gerbe
0.8 0.0140
électrons (Z->ee)
jets (dijets)
Variables liées à la largeur du dépôt calorimétrique
E237/E277 : énergie 3*7/énergie 7*7
Jets gerbes + larges
9
Dépendance en η des variables d’identificationExemple de profil : largeur latérale de la gerbe en fonction de η
changement de fraction d’échantillonnage
crack passage du barrel aux end-caps
|η| = 0.8
1.35< |η| <1.50
fin des TRT & changement de granularité dans S1
|η| = 2.0
fin du presampler & changement de granularité dans S1
|η| = 1.8
changement de granularité dans S1
|η| = 2.35
fin du détecteur interne & fin de la grande roue
|η| = 2.47
10
Efficacité d’identification des électrons Zee
L’efficacité d’identification des électrons issus de Z est de 90.0% ±0.3% pour le calorimètre seul et de 59.3% ±0.5% avec toutes les coupures
Eff
. E
lect
ron
Total calorimètre
Total
cuts had S2 S1 Calo ID Match TRT All
Coupures
efficacité de chaque groupe de coupures
efficacité cumulée
11
Incertitudes systématiques : influence de l’ajout de matière
η
X0
2
1
0
φ >0 φ <0
Ép
aiss
eur
(X0)
Objectif : - estimer les effets dus à l’incertitude sur la quantité de matière Outil : - ajout artificiel dans la simulation de matière sur l’hémisphère φ>0 du détecteur interne
12
Incertitudes systématiques : influence de l’ajout de matière
Les effets de l’ajout de matière dans le trajectographe induisent une perte de ~3% sur l’efficacité totale à cause des coupures sur la qualité des traces.
58.4%± 0.7% d’efficacité totale pour φ>0, 61.6%± 0.7% pour φ<0
Eff
. E
lect
ron
cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All
Coupures
φ>0 φ<0
Φ>0 : 89.5%±0.4%Φ<0 : 90.5%±0.4% => ~1% de différence
~1.5%
Plus la quantité de matière traversée est importante plus la reconstruction des traces est difficile
13
Incertitudes systématiques : identification pour divers évènements
Influence des caractéristiques cinématiques de l’électron (≠ spectres en Pt et en η) et de l’environnement hadronique
We tte+X H (130 GeV) 4e
ge+X (SU3) Z’ (2TeV) ee
MS
NP
_
~
14
Influence de la cinématique Z vs Z’
Eff
icac
ité
cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All
Coupures
Efficacité totale :60.0±0.8% pour Z’59.3±0.5% pour Z
Efficacité calo :Z’ : 92.6±0.4%Z : 90.0±0.3%
Différences d’efficacité sur chaque variable s’expliquent par les différences de spectre Les efficacités totales ne sont proches que par le jeu de compensation
efficacité des électrons Z
efficacité des électrons Z’
0.35Électrons de Z’ + énergiques => développement de la gerbe + tardif => gerbe moins large dans S1
Zee
Z’ee
E/p moins bon car p moins bien reconstruit dans ID (car grand Pt)
2.5
0.9
Zee
Z’ee
ΔPt/Pt
15
Comparaison entre les évènements
Moins de 5% de différenceImportant de le prendre en compte (mesure de l’efficacité sur les données à partir du Z)
Z W H Z’ tt g
Efficacité totale
Etude similaire effectuée pour Weν, tte+X, H4e, et ge+X
~-
~_
16
Mesure de l’efficacité d’identification avec les données Zee
Efficacité coupure = Ntight/Nloose
électron tag
électron probe
événement
N tight
N loose
Coupure lâche (loose) = coupure sévère – la coupure dont on veut mesurer l’efficacité
Coupure sévère (tight)
Coupure sévère (tight)
La méthode Tag & Probe
Il ne doit pas y avoir de corrélation entre la coupure étudiée et la coupure lâche. Il faut un lot d’électrons purs. Pour cela, on utilise la masse invariante du Z.
17
Sélection sur la masse invariante de deux électrons
Zeedijets
total
No
mb
re d
’év
én
em
ents
pa
r fb
-1
Mee (GeV)
Rapport bruit sur signal dans la fenêtre
[80 GeV-100 GeV] ~1.5%
18
Mesure de l’efficacité d’identification avec les données
cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All
efficacité mesurée sur les donnéesefficacité « vraie »
Eff
. E
lect
ron
Bon accord (qqs pourmilles) auquel on devra ajouter une incertitude due au bruit de fond
Coupures
19
Extrapolation de la mesure aux autres événements
Z W H Z’ t t g
Efficacité
efficacité mesurée sur Zee puis extrapoléesefficacité « vraie »
~-
20
Conclusions Identification des électrons fondamentale au LHC
Études Monte-Carlo : efficacités Zee de 90% (calo) et 59% (total)
Incertitudes Systématiques (robustesse de l’identification) Ajout de matière de 15% => variations efficacité <3% Influence de la cinématique de l’événement (η, Pt ) =>
variation efficacité totale < 5%
Préparation à l’analyse des 1ères données Variables et coupures doivent être optimisées/simplifiées Méthode de mesure de l’efficacité sur les données Zee :
bon accord avec la vérité, extrapolation aux autres événements
Mon travail :
21
Perspectives
Rester dans l’optique des 1ères données : Participation à un
exercice en cours dans ATLAS : simulation de 18 pb-1 de vraies données
Mesure de la section efficace de production du Z : exploiter les compétences acquises => inclure déclenchement
Approfondir ma connaissance du calorimètre EM Nécessaire pour utiliser les
électrons comme sonde pour la nouvelle physique
ATLAS complètement installé: muons cosmiques en cours d’acquisition
Me tenir prête pour l’arrivée des 1ères données du LHC !
22
SPARES
23
Le Large Hadron Collider
Ouverture de l’espace des phases
24
=0 =1.4
=3.2
=4.9
Calorimétrie d’ATLAS
Calorimètre hadronique
Calorimètre électromagnétique
Calorimètre avantBouchons du calorimètre
hadronique
25
Variables calorimétriques (hadro)
Pas de dépôt hadro pour les électrons
Fuites hadroniques (Ethad1/Et37)
0.018
électrons (Z->ee)
jets (dijets)
Distributions des variables illustrées dans le barrel pour 0<|η|<0.8
26
Variables calorimétriques (S1)
Emax2/(1000+0.009*Et37)
0.25
Largeur totale de la gerbe
4.
Forme du cœur de la gerbe
0.35
electrons (Z->ee)
jets (dijets)
ΔE ~ 0 pour électronsΔE ≠ 0 pour π°
2e max-min d’énergie
0.8
Largeur de la gerbe sur 3 strips
0.15
Le second maximum d’énergie déposé dans S1 doit être inférieur à une limite dépendant linéairement de l’énergie transverse
27
Variables d’association entre dépôt calorimétrique et trace
Pour un électron E/p~1
Une trace doit être associée plus précisément au dépôt calorimétrique.
0.005-0.005
-0.02 0.02
électrons (Z->ee)
jets (dijets)
Δη Δφ
2.5
0.9
E/p
28
Variables de trace (détecteur interne)
au préalable association lâche : on veut qu’une trace corresponde a peu près au dépôt calorimétrique
11
9
1.
electrons (Z->ee)
jets (dijets)
Nombre de coups dans la couche du b
Paramètre d’impact transverse (cm)Nombre de coups dans le détecteur à pixels + SCT
Nombre de coups dans le détecteur à pixels
-> Les coupures sont là pour assurer une qualité de la trace plus que pour discriminer.
29
Variables du détecteur interne : variable du TRT
Présence d’un rayonnement de transition pour les électrons, pas pour les π
électrons (Z->ee)
jets (dijets)
0.1 Moyennes e : 0.19Jets : 0.11
Nombre de coups de haute énergie dans le TRT sur nombre de coups total dans le TRT
30
Efficacité des électrons de ge+XE
ffic
acit
é
cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All
Coupures
4
Les différences vont presque toutes dans le même sens : l’efficacité d’identification des électrons de Z’ est meilleure que celle de Z
1
2 3
31
Spectres pour ge+X
Zee
ge+X
Zee
ge+X
η vrai Pt vrai (GeV)
MoyenneZ : 36 GeVg : 66 GeV
32
Efficacité des électrons de ge+X
0.35
1 : S1
=>On coupe plus d’électrons de Z que d’électrons de g
Zee
ge+X
Les électrons de Z’ étant + énergiques leur gerbe commence plus loin dans le calorimètre et ils sont moins larges dans S1
33
Efficacité des électrons de ge+X
2 : traces
Zee
ge+X
Il est plus difficile de reconstruire les traces des électrons les moins énergétiques (Z)
9
=>On coupe plus d’électrons de Z que d’électrons de g
9
34
Efficacité des électrons de tte+XE
ffic
acit
é
cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All
Coupures
1
23
35
Efficacité des électrons de H4eE
ffic
acit
é
cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All
Coupures
1
23