Ursula Bassler 1soutenance d'habilitation 28/11/2003
Aspects de la physique hadronique:
de la structure du proton au quark top
…en passant par les calorimètres
Ursula Bassler 2soutenance d'habilitation 28/11/2003
Curriculum Scientifique1991-1993: thèse de doctorat, Université Paris VI1993-1994: mesure de F2 sur les données 19931994-1995: qualification du SpaCal1994-1996: mesure de F2 sur les données 19941996-1997: mesure de F2 à bas Q2, données 19951997-1999: mesure des sections efficaces à grand Q2, données 94-97
1998: adhésion à la collaboration DØ1999-2000: installation du système de calibration en-ligne2001-2002: co-responsable de la qualification du calorimètre2002-2003: co-responsable du groupe "identification des électrons"2003-2004: co-responsable de l'ensemble "algorithmes calorimétriques"
2001-2003: membre de l'"Advisory Council" de DØ2001-2004: membre du Conseil Scientifique du LPNHE2003-2005: membre du comité d'évaluation CVI de l’INFN
1996-2000: responsable des "réunions du vendredi" du LPNHE 1999: co-ordinatrice de la session "fonctions de structure" à DIS99 1999: co-responsable du groupe DØ du LPNHE 2000: co-organisatrice des "Journées Jeunes Chercheurs 2000" 2003: organisatrice de la Biennale 2003 du LPNHE
H1
DØ
autres
comités
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Encadrements stages et thèses
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Plan de l’exposé
Motivations: ingrédients pour la physique au collisionneurs hadroniques
La calorimétrie de DØ: qualification du calorimètre calibration en-ligne algorithmes de reconstruction
Les mesures des fonctions de structure de H1: reconstruction cinématique principaux résultats
Conclusions et prospective: la physique du top
Ursula Bassler 5soutenance d'habilitation 28/11/2003
Motivations
à condition de:
maîtriser l'état initial et final: connaissance des densités de partons modélisation de l'état final hadronique calculs des sections efficaces aux ordres supérieurs
modéliser les bruits de fonds: comprendre les bruits détecteur et accélérateur connaissances des interactions "molles" évaluer la contribution des processus avec les mêmes signatures expérimentales
comprendre les performances du détecteur: calibrations, en particulier des jets efficacités de reconstruction
Les collisionneurs hadroniques permettent d'explorer les interactions des particules aux plus hautes énergies:
Ursula Bassler 6soutenance d'habilitation 28/11/2003
Tevatron
HERA et LHC
les expériences de HERA permettent: d'étendre le domaine cinématique mesuré des densités de partons (pdf)
de confirmer la validité de l'évolution des pdf par la QCD perturbative (équations de DGLAP)
de déterminer le comportement de la densité de gluons à petit x
de contraindre la région à grand x dans le domaine perturbatif
d'améliorer la modélisation de l'état final hadronique
Ursula Bassler 7soutenance d'habilitation 28/11/2003
Tevatron et LHC
Les expériences du Tevatron permettent: de vérifier les prédictions QCD dans un environnement hadronique
de contraindre d'avantage les paramètres électrofaibles, en particulier pour la recherche du Higgs
d'étudier les propriétés du quark top, un des bruits de fond majeur du LHC
d'affiner des algorithmes de reconstruction et des techniques d'analyse, bien que pour des expériences à plus petit échelle
de démarrer des détecteurs pour la dernière fois avant le LHC
Ursula Bassler 8soutenance d'habilitation 28/11/2003
Tevatron – Run II
2000 : mise en service du "Main Injector" (tests + cible fixe) 2001: installation des expériences, début du Run II en avril opération du Tevatron en mode 3636 à 980 GeV / faisceau luminosité maximale atteinte:
5 1031 cm-2 s-1
luminosité intégrée: 210pb-1Main Injector
(new)
Tevatron
DØCDF
Chicago
p source
Booster
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
FY02 FY03 FY04 FY05 FY06 FY07 FY08 FY09
projections de luminosité: de 4 à 9 fb-1 en 2009
Ursula Bassler 9soutenance d'habilitation 28/11/2003
Le détecteur du Run II
Nouveau Système de mesure des traces: solénoïde, Silicium,Fibres Scintillantes, pied de gerbes
Calorimètre: Nouvelle Électronique, Trigger, DAQ
Blindage
Mesure des : MDT, PDT, scintillateur
DD
Ursula Bassler 10soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calorimètre – nouvelle électronique
55000 canaux Ur/Argon liquide améliorations pour le Run II:
remplacement de l'électronique afin d'accommoder un temps d’interaction de 132 ns
55k dual FET PreAmps 23k Switch Capacitor Arrays (SCA)
avec 8M cellules de stockage sur 1200 BaseLineSubtraction (BLS)-boards
~ 50 mauvais canaux (~0.1%)
DD
Ursula Bassler 11soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calorimètre: électronique
Preamp/Driver
L2 SCA
LAr cell
Calibration
ADC
Trig. sum
Filter/Shaper
x1
x8
BLS
Analog Storage
BLS board
PreAmp Board
4 * L1 SCA (48 deep)
DD
BLS (Base Line Subtraction): mise en forme du signal mémoires analogiques, soustraction de la ligne de base sélection des gains
ADC: digitation suppression de 0
Ursula Bassler 12soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calorimètre: bruit électronique
/C vs. channel
total: 46938 channels le bruit électronique mesuré ( du piédestal) en coups ADC dépend de la taille de la cellule (sa capacité) et de la capacité de “feedback” du type de PreAmpli le comportement de ce bruit correspond aux valeurs attendues pour les canaux qui fonctionnent correctement le bruit en coups ADC est approximativement le même qu’au Run I plus élevé en énergie (inversion des résistances, non-linéarité des SCA)
DD
gain 8
gain 1
EC
NW
CC
W
EC
SW
EC
SE
CC
E
EC
NE
Ursula Bassler 13soutenance d'habilitation 28/11/2003
Algorithmes: NADA
Identification des cellules chaudes et isolées du calorimètre
calorimètre
AIDA - Run I: seulement les dépôts d’énergie des cellules isolée longitudinalement sont considérés bonne efficacité (99%) mais taux élevé de misidentification (~10%)
NADA - Run II: le critère d’isolation tient compte de toutes les cellules voisines efficacité encore bonne (90%) et faible taux de mis identification (0%) !! abaissement du seuil d’énergie possibletaux de mis identification encore faible (< 1%)
• inclus dans la reconstruction de DØ depuis 2001• adapté à partir de la "ynoise-suppression" de H1
DD
Ursula Bassler 14soutenance d'habilitation 28/11/2003
Algorithmes: T42
sélection de toutes les cellules avec un signal > 4 entre 2 et 4 uniquement les voisins sont gardés développé à partir de l'algorithme TNS de H1 mais rejet des cellules d’énergie négative
What neighbours means
DD
Ursula Bassler 15soutenance d'habilitation 28/11/2003
Reconstruction de J/ et DD
reconstruction des électrons à basse énergie avec/sans T42
meilleur efficacité de reconstruction, avec un peu plus de bruit de fond:
les coupures de sélection doivent être adaptées
meilleure résolution en énergie
Ursula Bassler 16soutenance d'habilitation 28/11/2003
La calibration électronique précision sur la linéarité des courants: < 0.1% incertitude principale: capacités parasitiques
DDPulser Interface: configuration automatique
12 Pulsers délivrentcourants continues hauteur du pulsecommandes du début du pulse
6 répartiteurs actifs avec 16 bascules forment le signal de calibration
Ursula Bassler 17soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calibration: Résultats
stabilité des gains sur une année
DD
pulser shaper output
pulser ADC-readout
mesure du signal de calibration après shaping et après digitation inversion des résistances d'adaptions de gain BLS/ADC
comparaison de la réponse gain1/gain8 non-linéarité des SCA
intercalibration des gains des canaux électronique
non-linéarité des SCA
Ursula Bassler 18soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calibration: Z ee
effet des différentes corrections de calibration appliquées à l'énergie des électrons
MZ/GeV sZ/GeV sZ/MZ
énergie brute 81.5 3.6 4.4%
non linéarité 86.7 3.7 4.3%
calibration gains 86.6 3.6 4.2%
ajustement Z ee (données/simulation)
86.5 3.6 4.1%
corrections en des matériaux morts (simulation/pdg)
91.2 3.7 4.0%
corrections calibration en ligne 91.2 3.5 3.8%
DD
Ursula Bassler 19soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calibration: Corrections
1% 1%
calibration physics
Correction pour le temps d’échantillonnage du signal (effet ~1%) variation canal/canal pour la différence calibration/physique (~1%)
DD
Ursula Bassler 20soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calibration: les jets
différence entre données et simulation à grand énergie terme constant? simulation des cracks? compensation?
calibration des jets à partir des événements +jets
résolution déterminée à partir des événements di-jet, utilisant: |pt1-pt2/pt1+pt2|
DD
Ursula Bassler 21soutenance d'habilitation 28/11/2003
Calorimètre: prospectives
buts:
erreur su l'échelle en énergie électromagnétique: < 1%
erreur sur l'échelle en énergie des jets ~2%
détermination de la résolution em à partir des données:
calibration par les resonances Z, J/,
calibration en E/p
amélioration de la simulation des matériaux morts
études de l'influence des cracks
correction de diaphonies
mesure de e/, vérification de la compensation
reponderation de l'énergie hadronique à la H1
DD
Ursula Bassler 22soutenance d'habilitation 28/11/2003
HERA
H1ZEUS
Hambourg unique collisionneur ep: 27GeV(e±) 820/920 GeV (p)
démarrage 1991, arrêt machine 2000/2001 pour augmenter la luminosité
temps de croisement: 96ns
luminosités intégrées HERA I:
e+p s=300 GeV: 35 pb-1(94-97)
e+p s=320 GeV: 77 pb-1(99/00)
e-p s=320 GeV: 14 pb-1(98/99)
Ursula Bassler 23soutenance d'habilitation 28/11/2003
DIS à HERA
variables cinématiques:
moment de transfert
Q2= - (e-e')2
paramètre d'inélasticité
y=(p· ) /(p· e)
fraction du moment du proton
x=Q2/ (p· e) = Q2/y · s
les interactions de diffusion profondément inélastique à HERA permettent de sonder la structure du proton à une échelle 10-18 m
mesure à la fois de l'électron diffusé et de l'état final hadronique
'
e
pe'
Ursula Bassler 24soutenance d'habilitation 28/11/2003
Régions cinématiques à HERA
extensions par rapport au expériences sur cible fixe: accès à la région à bas x et bas Q2
extrapolation à grand Q2
mesure à grand x grâce à des méthodes hadroniques mesure de S
mesures à grand y
détermination de FL
mesure NC/CC au sein des mêmes expériences mesures en e+/e- vérification des prédictions électrofaibles détermination de xF3
Ursula Bassler 25soutenance d'habilitation 28/11/2003
Les fonctions de structurePour des interactions à courant neutres (NC):
fonctions de structure généraliséesfonction de structure longitudinale généraliséecontribution non-négligeable à grand y
contributions non-négligeables à Q2>10000GeV2
en ne considérant uniquement l'échange électromagnétique:
Ursula Bassler 26soutenance d'habilitation 28/11/2003
Les ajustements NLO-DGLAPL'évolution de F2 dépend des densités de quarks et de gluons:
Les densités de partons sont définis par:
non-singlet
singlet
gluon
La forme des densités de partons est paramétrée:
L'évolution des pdf est donnée par les équations DGLAP:
Ursula Bassler 27soutenance d'habilitation 28/11/2003
La structure du proton
densités de partons/gluons dans différentes régions cinématiques:
bas Q2: domaine non-perturbatif description des section efficaces par des modèles du type Regge
évolution à grand Q2: termes dominants en log Q2 équations DGLAP comportement en x non-contraint
évolution à bas x: termes dominant en log1/x logQ2 équations BFKL densité de gluons en x- , 0.5
Ursula Bassler 28soutenance d'habilitation 28/11/2003
La reconstruction cinématique
4 quantités mesurées la cinématique est sur contrainte:électron (E, ) – hadrons (h=Eh-pz,h, pT,h, h= 2 atan h/ pT,h)
y= h/2E0 Q2=pT2/(1-y) x=Q2/ys (s=4E0P)
conservation d'énergie/impulsion: combinaisons pour calculer y, Q2, x électron (E, ): Q2 excellent, mais faible résolution à bas y hadrons (h, pT,h): mauvaise résolution en Q2, stable en y méthodes combinées e/h: DA (, h), "mixed" (Q2
e,yh), (E,, h), e….
Acceptance Stabilité Pureté
Ursula Bassler 29soutenance d'habilitation 28/11/2003
Reconstruction de yh
reconstruction de yh à partir des différents sous-détecteurs
pertes des particules "molles": combinaison "cellules & trace"
région à bas y: sensible au bruit dans le calorimètre à Argon liquidesoustraction du bruit à la "NADA"
Q2 > 150GeV2
Q2 < 150GeV2
Ursula Bassler 30soutenance d'habilitation 28/11/2003
F2 pré-HERA
comportement de F2 à petit x non contraint
mesures de BCDMS/NMC jusqu'à x=0.01 à Q2=20GeV2
différentes prédictions:MRSD0/CTEQ1: densité de gluons à la Regge - g(x)x0
MRSD-: densité de gluons à la BFKL - g(x)x- avec =0.5GRV: évolution DGLAP de la densité de gluons "valence-like"
à Q2<1
Ursula Bassler 31soutenance d'habilitation 28/11/2003
F2: croissance à petit x
première mesure de F2 sur les données 1992:
luminosité: L=22.5 nb-1
forte croissance de F2 à petit x
pas de comportement à la Regge
précision limitée
Ursula Bassler 32soutenance d'habilitation 28/11/2003
F2: violation d’échelle
mesure de F2 sur les données 1993:
luminosité: L=271 nb-1
mesure sur 14 bins en x
observation de la violation d'échelle en log Q2
premier ajustement NLO-QCD
croissance de F2 due à l'augmentation de la densité des quarks de la mer à petit x, engendrée par boson-gluon fusion
Ursula Bassler 33soutenance d'habilitation 28/11/2003
F2: la densité de gluons
mesure de F2 sur les données 1994:
luminosité: L=2.7 pb-1
première mesure de précision
domaine de mesure en Q2 entre 1.5 et 5000 GeV2
extraction de la densité de gluons par ajustement QCD-NLO
précision de 15%
Ursula Bassler 34soutenance d'habilitation 28/11/2003
F2: taux de croissance en x
mesure de F2 sur les données 1995:
première mesure avec SpaCal
donnes à vertex déplacé permettent l'exploration du domaine de transition photoproduction - DIS
domaine de mesure en Q2 entre 0.35 et 3.5 GeV2
parametrisation des pentes de F2 en x- pour x<0.1
évolution des pentes en fonction de Q2
mesures ultérieures: changement de comportement autour de Q21GeV2 avec une limite de 0.08 (a la Regge)
Ursula Bassler 35soutenance d'habilitation 28/11/2003
DIS à grand Q2
NC CC
/Z W+/-
e+/- e+/-
p p
e+/- e
X X
( - )
dépendance au propagateur et au terme de fonction de structure
CC couplage au quarks dépend de leur charge et de leur saveur
NC couplage au quarks dépend de leur charge
Ursula Bassler 36soutenance d'habilitation 28/11/2003
grand Q2: d/dQ2
données 1994-1997 à Q2>150GeV2
luminosité: L=37.6 pb-1
la section efficace NC dominée par les interactions électromagnétiques
variation de d/dQ2 sur 7 ordres de grandeurs
la dépendance de la section efficace CC permet d'extraire MW dans la voie s
précision sans contraindre GF: MW=5.2GeV
précision en utilisant les contraintes du Modèle Standard sur GF: MW=0.4GeV avec une erreur dominante venant des pdfs
Ursula Bassler 37soutenance d'habilitation 28/11/2003
mesure de la section efficace jusqu'à x=0.65 section efficace à x=0.65 plus faible que attendue région cinématique uniquement contrainte par des données BCDMS à plus bas Q2
reconstruction cinématique: HERA: méthodes hadroniques(e): sensible au bruit calorimétrique BCDMS: méthodes leptonique: intrinsèquement faible résolution sensible aux quarks de valence influence sur S
grand Q2: r(x,Q2) à grand x
Ursula Bassler 38soutenance d'habilitation 28/11/2003
grand Q2: densités u et d
extraction des densités des quarks de valence à grand x
NC: contribution dominante quark u
CC en e+p: contribution dominante en quark d
xq=mes[xqfit/ fit]
extractions des densités pour des bins avec une contribution attendue en u et d supérieur à 70%
erreur sur la soustraction 2%
Ursula Bassler 39soutenance d'habilitation 28/11/2003
grand Q2: l’helicité
d quark
u+c
échange de uniquement
(1-y)2xF3
dépendance en (1-y)2 correspond à cos/2 dans le centre de masse CC: W+Lq supprimé (conservation de la helicité) NC: /Z contributions isotrope et non-isotrope+ contribution de xF3 non-isotrope
Ursula Bassler 40soutenance d'habilitation 28/11/2003
F2: mesures de HERA I
domaine cinématique mesuré:
0.01 < Q2 < 30000 GeV2
10-5 < x < 0.65 détermination de la densité de gluons à 3% extraction de FL, xF3
détermination de S:
0.115 ± 0.0017(exp) ±0.005(theo)
sur les données H1 et BCDMS
Ursula Bassler 41soutenance d'habilitation 28/11/2003
pdf post-HERA I
différence majeur entre MRST/CTEQ:
la densité de gluons à moyen x
contrainte expérimentale: mesure de la section efficace des jets au Tevatron
influence des données de HERA dans le analyses globales (MRST/CTEQ)
accord pour la détermination de S
0.1165±0.002 ±0.003 (MRST)
0.1165±0.0065 (CTEQ)
incertitudes sur les pdf:
Ursula Bassler 42soutenance d'habilitation 28/11/2003
top: la production
masse du top élevée calcul perturbatif de la section efficace
au Tevatron le top est produit à grand x principalement en mode qq
la section efficace au NNLO à s=1.96 TeV est =6.77pb
au LHC: production principalement en mode gg
section efficace NLO à s=14 TeV est =833pb
Tevatron: 85%
LHC: 10%
Tevatron: 15%
LHC: 90%
tt
Ursula Bassler 43soutenance d'habilitation 28/11/2003
top: canaux de désintégration désintégration quasi exclusivement en Wb
détection selon le canal de désintégration
di-lepton: faible rapport d'embranchement, signal/bruit 3.5
hadronique: bruit de fond QCD élevé
lepton+jets: cinématique contrainte
di-lepton 200 événements
lepton+4jets 1800 événements
lepton+ 3jets/b-tag 1400 événements
lepton+ jets/2 b-tags 450 événements
estimation pour L=2fb-
1:
Ursula Bassler 44soutenance d'habilitation 28/11/2003
top: section efficace
intérêt de la mesure tt:• vérification des prédictions QCD• recherche de nouvelle physique:
production via bosons lourds mode de désintégrations autres que Wb
Premières mesures de tt du
Run II avec L=100 pb-1 en:di-lepton (ee, , e)lepton+jets (e+jets, +jets)
DD
mesure au Run I à s=1.8 TeV:
= 5.69 1.21 (stat) 1.04 (syst)
Ursula Bassler 45soutenance d'habilitation 28/11/2003
top: prospectives Run II
Pour une luminosité de 2 fb-1:• précision sur la section efficace ~8%
erreur statistique: 4% erreurs systématiques:
estimation du bruit de fond: diminution avec la statistique des lots de contrôle ~2% échelle d'énergie des jets ~2% rayonnement QCD ~ 2%
Limitations ? erreurs sur la simulation de l'acceptance: ~4% erreur sur la luminosité: ~4%
DD
Ursula Bassler 46soutenance d'habilitation 28/11/2003
top: mesure de la masse
la masse du top: paramètre fondamental dans le
Modèle Standard détermine le couplage ttH prédiction de la masse du
Higgs par les corrections radiatives:
Run II: Mh/Mh à 35%
CDF/D02 fb-1goal!
DD
• canal lepton+jets3 contraintes
m(l) = m(qq) = mW
m(lb) = m(qqb)1 inconnue (pz
) 24 ambiguïtés combinatoire
Ursula Bassler 47soutenance d'habilitation 28/11/2003
Conclusion
HERA I a permis de vérifier la validité de la QCD perturbative et de déterminer les densités de partons avec précision:
la densité de gluons à petit x
les contraintes à grand x et grand Q2
Tevatron est le seule endroit pour l'étude du quark top
les mesures de la section efficace de production
les contraintes de part sa masse sur la masse du Higgs
complémentarité des deux programmes de physique donne le savoir nécessaire pour rechercher de la nouvelle physique au LHC