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