DES HAUTES TENSIONS AU SGLUON

DES HAUTES TENSIONS AU SGLUON

Recherche de Nouvelle Physique avec ATLAS

Loïc VALERY

LPC – Clermont Ferrand

[email protected] Séminaire Deuxième AnnéeVendredi 27 Septembre 2013

mailto:[email protected]

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Programme

① Contextes

② Suivi des hautes tensions du calorimètre hadronique d’ATLAS

③ Recherche de Nouvelle Physique① Etude du potentiel de découverte du sgluon dans ATLAS

② Recherche du sgluon dans l’expérience ATLAS

Recherche de Nouvelle PhysiqueSéminaire deuxième année

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CONTEXTES

Séminaire deuxième année Recherche de Nouvelle Physique

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Modèle Standard

• Théorie éprouvée et confirmée expérimentalement• Dernière confirmation en date par ATLAS et CMS :

• Découverte d’un boson de Higgs


• Contenu en particules• 6 quarks• 6 leptons• 4 bosons de jauge• 1 boson de Higgs

• Quark top• Grande masse (~172 GeV)

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Le quark top

• Pas d’hadronisation : il se désintègre• Désintégration selon t Wb


~ 100 %

33 %

67 %

• Grande masse : couplage important avec des particules prédites dans certaines théories au-delà du Modèle Standard.

• Il sera notre sonde pour étudier de telles théories

• Pourquoi aller au-delà du Modèle Standard ?

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Au-delà du Modèle Standard : la Nouvelle Physique

• Modèle Standard : quelques limitations ou lacunes• Gravitation non décrite• Matière noire non prédite• …


• Parmi ces théories, une étudiée ici : la supersymétrie

• Théories testées auprès d’accélérateurs et de détecteurs

• Plusieurs théories alternatives proposent d’étendre ou de remplacer le Modèle Standard

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Le Large Hadron Collider : LHC

• Anneau (27 km de circonférence)• Dernier accélérateur d’un complexe• Collisions proton-proton à une énergie de 8 TeV


• 4 grands détecteurs• ALICE• ATLAS• CMS• LHCb

• Etudes faites dans le cadre d’ATLAS

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A Toroidal LHC Apparatus : ATLAS

• Détecteur généraliste, ~ 4π sr


• Plusieurs sous-détecteurs

• Plan transverse : perpendiculaire au faisceau

22 mètres

45 mètres

z

y

xη

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Le calorimètre hadronique à tuiles (TileCal)


• Alternance de fer et de tuiles de plastique scintillantes

• Interaction des particules avec le détecteur : émission de lumière

• Total de 9852 photomultiplicateurs

• Chaque PMT alimenté par une haute tension spécifique

• Divisé en 256 modules : chacun peut contenir 48 photomultiplicateurs

• Objectif : mesure de l’énergie des hadrons (jets)

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SUIVI DES HAUTES TENSIONS DU CALORIMETRE HADRONIQUE D’ATLAS


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Système de Hautes Tensions (HT)


• Chaque module est alimenté par une même source HVin

• Ajustement à la valeur souhaitée (HVset) par la boucle de régulation

• Valeur régulée (HVout) enregistrée dans une base de données (DCS)

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Enjeux du système de hautes tensions


• Gain d’un PMT dépendant de HVout

avec et des paramètres intrinsèques du PMT (mesurés)

~ 10-14 ~ 7

• Conséquence

Mesure constante de l’énergie

Gain constant des PMT

Hautes tensions constantes au cours du temps

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Comportements problématiques du système de HT

• Deux principaux comportements :


• ΔHV = HVout – HVset constant

• ΔHV variable au cours du temps

EBC30 PMT 14 EBC64 PMT30

• Comportement le plus problématique : HT instables.• Suivi réalisé en 2012 pendant les collisions proton-proton

• Haute tension appliquée : 750 V en moyenne

EBA01 PMT02

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Détection des canaux problématiques

• Distribution de ΔHV tracée pour chaque canal du TileCal• Ajusté par une gaussienne • Paramètres μi (moyenne) et σi (écart-type) calculés


• Distribution des μi de tous les canaux d’une partition tracée puis ajustée:

paramètres μpart (moyenne) et σpart

• Canal déclaré problématique si

|μi-μpart| > 5 σpart

σi > 0.5 Vou

Seule la distribution est utilisée … pas

l’évolution !

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Détection des canaux instables

• Utilisation de l’évolution de ΔHV en fonction du temps


1 point Moyenne de

ΔHV sur 1 jour

Valeur de μiΔHV = μi + 0.5 V

• Canal déclaré instable si plus de 5 points sont à plus de 0.5 V de μi

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Résultats


• Tous les canaux sont analysés par les deux critères :① Forme de la distribution de ΔHV

② Evolution de ΔHV = f(t)

Etat des canaux de hautes tensions le dernier jour des

collisions p-Pb (Février 2013)

• Canaux passant les deux critères

• ΔHV trop important• Instable• Canaux éteints

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Comparaison avec les systèmes d’étalonnage

• Parfois, mauvaise lecture des hautes tensions …• Possible de vérifier ce fait !


• Plusieurs systèmes utilisés : • LASER : lumière LASER émise dans les PMTs (via fibres optiques)

Gain des PMT mesuré par d’autres méthodes

• Césium : émission de γ par une source radioactive (dépôt d’énergie dans les tuiles).

Beaucoup plus de détails dans le prochain séminaire

par Emmanuelle !

• Pourquoi comparer ?

Hautes tensions vraiment instables

Evolution du gain identique pour les HT et les systèmes d’étalonnage

Fausse instabilitéEvolution du gain différente pour

les HT et les systèmes d’étalonnage

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• Gain du PMT mesuré par le LASER et le Césium compatible avec les HT• Canal réellement instable

HVout value

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• HT : augmentation du gain• LASER et Césium : gain stable

Fausse instabilité

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Résumé de l’analyse

• Sur 9852 canaux dans le TileCal• 60 problématiques, soit 6 ‰ des canaux• dont 7 vraiment instables, soit moins de 1 ‰ des canaux• et 8 présentant un problème de lecture

• Problèmes de lecture• Probablement une résistance haute tension défaillante dans la lecture


• Excellentes performances du calorimètre hadronique d’ATLAS

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RECHERCHE DE NOUVELLE PHYSIQUE AVEC ATLAS: LE SGLUONDu potentiel de découverte aux données d’ATLAS


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Recherche directe de Nouvelle Physique

• Démarche suivie


Etude du potentiel de découverte

Etude avec les données d’ATLAS

Etude de la théorie

• Motivations de la théorie• Etats finaux attendus

• Modèle effectif simplifié• Simulation simplifiée de détecteur, analyse simple• Extraction de limites attendues

• Choix d’une signature• Optimisation de la sélection• Comparaison avec les données

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Supersymétrie et sgluon

• Plusieurs théories au-delà du Modèle Standard• Parmi lesquelles : la supersymétrie


• Modèles minimaux : chaque particule du Modèle Standard associée à un super-partenaire g g~

gluon gluinoSpin 1 Spin 1/2

• Potentiel problème : la violation de saveur peut être plus grande que celle observée expérimentalement

• Modèles plus complexes peuvent résoudre ce problème

g g~gluon gluinoSpin 1 Spin 1/2

σsgluonSpin 0

Potentiel de découverte ATLASThéorie

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Propriétés du sgluon



• sgluons préférentiellement produits par paire• production célibataire défavorisée par des boucles de squarks et/ou gluinos

• Désintégration dépend de la masse des particules filles• désintégrations favorisées : au moins un quark top• soit : tt, tc, tu

Topologie tjtjTopologie tjttTopologie tttt

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Modèle effectif



• « Sgluons » aussi dans d’autres modèles (dimensions supplémentaires, théories vectorlike)

• Nécessaire d’étudier le sgluon indépendamment d’un modèle complet

Modèle effectif simplifié

• Modèle conçu en étendant a minima le Modèle Standard :• Un seul champ ajouté (le sgluon)• Interactions inspirées de la supersymétrie (couplage préférentiel au quark top)

Deux scénarios

• tt, tc et tu mêmes couplages

• tt uniquement

[Calvet, Gris, Fuks, Valéry, JHEP(2013)]

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Signal et bruits de fond


• Signature très claire• Très rare dans le cadre du Modèle Standard

• Très rare … mais pas impossible : bruits de fond


• Etat final avec deux leptons de même charge électrique possible

Principaux bruits de fond

W + jets tt

Z + jets Dibosons

• Bruits de fond modélisés par Monte Carlo : limite de l’analyse

• Simulation de l’interaction des particules avec un détecteur• Simulation simplifiée avec le logiciel Delphes2• Reconstruction d’objets physiques: électrons, muons, jets, énergie

transverse manquante (ETmiss)…

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Etat final Sélection

2 leptons de même signe 2 leptons de même signe (e, μ)

2 neutrinosMET > 40 GeV et MT(W) > 40 GeV

4 jets ≥ 3 jets

2 jets de b ≥ 1 jet étiqueté b

Sélection des événements

• Objectif : sélectionner les événements de signal et rejeter les événements de bruit de fond



• Méthode plus simple : • Basée sur l’état final attendu• Une sélection par topologie de signal : 3 analyses distinctes

• Exemple : topologie tjtj

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Résultats


Analyse tjtjAnalyse tjttAnalyse tttt

• 2 leptons de même signe• MET > 40 GeV• ≥ 3 jets pT > 25 GeV• ≥ 1 jet étiqueté b

• ≥ 2 leptons de même signe• MET > 40 GeV• ≥ 4 jets pT > 25 GeV• ≥ 2 jets étiquetés b

• ≥ 2 leptons de même signe• MET > 40 GeV• ≥ 5 jets pT > 25 GeV• ≥ 3 jets étiquetés b

Nombre d’événementsSignal avec couplages identiques

• σ(400 GeV) : 281 ± 11• σ(800 GeV) : 1.06 ±

0.14• Bruits de fond : 4191 ± 15


• σ(400 GeV) : 36 ± 4• σ(800 GeV) : 0.77 ±

0.07• Bruits de fond : 286 ± 8


• σ(400GeV) : 0.69 ± 0.08

Signal avec couplage au quark top

• σ(800 GeV) : 0.82 ± 0.07

• Bruits de fond : 10.3 ± 1.5


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Limites

• Potentiel de découverte : limite attendue


• Section efficace : probabilité d’occurrence d’un processus• Limite : section efficace au-delà de laquelle le signal devient

visible malgré le bruit de fond (et les incertitudes).


Nouvelle Physique Pas de Nouvelle Physique

Grande section efficace du signal Si Nouvelle Physique : VISIBLE

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Limites



Nouvelle Physique Pas de Nouvelle Physique

Petite section efficace du signal Impossible de discerner les deux cas …

• Potentiel de découverte : limite attendue

• Section efficace : probabilité d’occurrence d’un processus• Limite : section efficace au-delà de laquelle le signal devient

visible malgré le bruit de fond (et les incertitudes).

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Limites


Section efficace théorique

Limite

Limite en masse pour l’analyse tjtj

• Analyse dans ATLAS : 10 x plus de bruit de fond que prédit par MC• Faux leptons, mauvaise identification des charges électriques

• Limite recalculée dans cette hypothèse


Limite : bruit de fond x 10

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Limites



Analyse tttt

Analyse tjtt

Analyse tjtj

Topologie la plus prometteuse : ttttAvec désintégration privilégiée en tt

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Choix de la signature

• Etude de prospective : • topologie tttt avec deux leptons de même signe accessible



• Analyse portée dans ATLAS : améliorations attendues• prise en compte de l’empilement des collisions (pile-up)• isolation des leptons correctement prise en compte• certains bruits de fond déterminés à partir des données

• Uniquement cas où σ tt

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WZ tt + Z

ZZ tt + W

WW tt + WW

Bruits de fond

• Deux types de bruits de fond :


• bruits de fond avec leptons de même signe : simulation MC

• autres bruits de fond : à partir des données

• bruits de fond avec leptons provenant de :

• bruits de fond avec deux leptons mais erreur sur la charge électrique de l’un :

• désintégrations semi-leptoniques de mésons beaux• conversion de photons• …

• essentiellement par un fort bremsstrahlung • négligeable pour les muons (107 fois plus rare que pour les électrons)


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Sélection


• Variables supplémentaires pour la sélection :

• Sélection minimale :• Critères de qualités divers• 2 leptons de même charge électrique

• M(l1,l2) > 15 GeV et | M(l1,l2) - MZ | > 10 GeV (canaux ee et μμ)


Njets

Nombre de jets

Nb-jets

Nombre de jetsétiquetés b

ETmiss

Energie transverse manquante

HT

Somme des impulsions transverses leptons et jets

3 catégories ee, eμ et μμ

(selon le type de leptons)

36Séminaire deuxième année Recherche de Nouvelle Physique

Variables

• Distributions différentes pour le signal et les bruits de fond :• variables discriminantes

Njets Etmiss [GeV]

HT [GeV]Nb-jets

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Optimisation de la sélection


• Choix final :

• Plusieurs combinaisons de sélections sur HT, Njets, Nb-jets, ETmiss

Njets ≥ 2, Nb-jets ≥ 2, ETmiss > 40 GeV, HT > 650 GeV

• Basée sur la limite attendue en masse• Choix : plus grande limite attendue en masse

Etmiss ≥ 40 GeV

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Résultats


Nombre d’événements

attendus

Nombre d’événements

observés

• Observations en accord les attentes

• Pas d’excès significatif

• On interprète en terme de limite observée

[ATLAS-CONF-2013-051]

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Limites


• Limite attendue : ~820 GeV

• Limite observée: 800 GeV

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Conclusions

• Système de régulation des hautes tensions • Critères efficaces : possible de détecter les dysfonctionnements• Excellentes performances du système (moins de 1 ‰ de canaux

instables)

• Recherche de Nouvelle Physique• Analyse phénoménologique : ATLAS sensible au sgluon• Recherche dans ATLAS : nombreuses améliorations

• Modélisation des bruits de fond• Prise en compte des incertitudes systématiques • …

• Pas d’excès significatif : limite observée de 800 GeV


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Et après ?

• Système de régulation des hautes tensions • Travail en cours sur le suivi des réparations

• Recherche de Sgluon dans ATLAS• Publication en fin d’année• Analyse plus raffinée :

• Optimisation faite canal par canal• Utilisation d’outils multivariables en cours d’étude• Optimisation du calcul de limite

• Mais aussi:• Recherche de résonances top-antitop : publication en fin d’année • Raffinement de la réjection de l’effet d’empilement


Documents

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