Etude d’un canal de désintégration supersymétrique dans le détecteur CMS au futur

collisioneur LHC Alexandre Mollet

Présentation

• Le contexte– Le LHC– L’expérience CMS (Compact Muon Solenoid)– Pourquoi la super-symétrie (SUSY)? – Notre canal de désintégration

• Les simulations– La reconstruction – Les graphiques de masse invariante– Paramètres de la reconstruction

• Perspectives de travail

Le LHC

• Un accélérateur sur la fontière Franco-suisse!

• Quelques Chiffres:– Energie dans le centre de masse de 7 TeV + 7 TeV– Circonférence de 26 km 650 !– 0.4 1011 particules par paquet– 2808 paquets!– Fréquence de croisements: 40 MHz– 109 collisions p-p par secondes

CMS

AtlasAlice

LHC-b

L’expérience CMS

• Une des 2 plus grandes expériences du futur LHC (4 en tout) dédiées à la découverte du boson de Higgs

• Ses mensurations:– 16 millions de voie individuelle de détection– Longeur = 21.6 m Rayon externe = 7.5 m Poids

= 14 500 Tonnes– 2000 scientifiques et 160 instituts

• Composition du détecteur:– Un trajectographe– Un calorimètre électromagnétique– Un calorimètre hadronique– Un aimant– Un système de mesures des muons

Longueur : 20 mHauteur : 15 mPoids : 14 000 tCanaux électroniques : 108

Coût : 500 MCHF (325 M€)

TrackerSiliciumPixel + Strips

ECALCristal scintillant(PbWO4)

HCALCu+scintallateur

Chambre à muons

SolenoïdeB = 4 T

Pourquoi la SUper SYmétrie?

• Le boson de Higgs:– La théorie du Modèle Standard nécessite son

introduction pour conférer la masse aux particules– Le détecteur CMS a été optimisé pour le découvrir

entr 80 Gev et 1 Tev

• La SUper SYmétrie: – MS à basse énergie!– Existence de partenaires super symétriques pour chaque

particule:

particule p de spin s superpartenaire de spin s-1/2– Extension minimale du SM est le MSSMMotivations

Pourquoi la SUper SYmétrie?

• Le boson de Higgs:– La théorie du Modèle Standard nécessite son

introduction pour conférer la masse aux particules– Le détecteur CMS a été optimisé pour le découvrir

entr 80 Gev et 1 Tev

• La SUper SYmétrie: – Existence de partenaires super symétriques pour chaque

particule avec spin ½– Extension minimale du SM est le MSSM

Présentation

• MSUGRA– Hypothèse de Modèle à Grande Unification:– Unification de la masse des Gauginos – Unification de la masse des scalaires– Unification de la constante de couplage trilinéaire

• Point SUSY retenu– m1/2 = 360 GeV

– m0 = 230 GeV

– A0 = 0

– tan b = 10 – sign(µ) >0.

Notre canal de désintégration

• Voici notre la canal de désintégration que je vais étudier:

h bb

• Ses caractéristiques:

- Le neutralino est 1 est stable et interagit très peu. De plus, il est très massif. grande énergie manquante.

- Désintégration en jet de b. Donc, possibilité de calculer la masse invariante du Higgs en ayant E et p des jets de b reconstruits.

Notre canal de désintégration

Résumé:

0,± 0 0 0 0L 1,2 2 1

0 0 0 0 0 + -L 2 2 1

0 0 + -R 1

q χ + q ~85% χ χ + h 85% h b+b 72%

q χ + q 20-25% χ χ + Z 12% h W +W 9%

q χ +q 99% h τ +τ 9%

Rapport de branchement

Signature :

h0

01χ LSP

MET

b

bB tagging

02χ

q / g

20 % d’évènements interessants

Les évènements

• Création des évènements:

Ntuplesignal

Ntupleminbias

OSCAR 3

HEPEVTNtuple

ORCA 8

POOLSimHits/minbias

POOLSimHits/signal POOL

DigisDST

OSCAR SimReader RecReader

MC generator

CMKIN

Production

Production User

1)digitization

“data summary tape”

ROOTTree

RecReader

3)analysis2)reconstruction

NEW

Pool Of persistent Objects for LHC

La reconstruction

• ORCA:– Digitalise la réponse électronique du détecteur – Et reconstruit de l’évènement: …– En sortie, nous avons comme les informations sur:

• Les évènements simulés

• Les évènements reconstruits

La reconstruction

• La reconstruction des jets:– Outpout ORCA: Fichiers ROOT– Pour obtenir ces fichiers ROOT : – Choix d’un algorithme de reconstruction: taille de

cones, énergie déposée dans le calorimètre

• Le “b-tagging”: – Une fois un jet reconstruit, il faut voir si ce jet provient

d’un b ou pas! Problème d’efficacité du b-tagging

Type de résultats attendus

La masse invariante du Higgs:

__ MC

_ _ Rec

- Reconstruction « Standard »:

- Sans calibration

-IC (Iterative Counter)

-Cone de 0.5

Type de résultats attendus

Les écarts en énergie et impulsion:

- Reconstruction « Standard »:

- Sans calibration

-IC (Iterative Counter)

-Cone de 0.5

Bruit de fond

3 types de BF jouent ici:

1) SUSY: sb b ; t W b ; Z0 b b

2) Combinatoire: Si on a 4 jets 6 Minv

3) SM: t W b ; Z0 b b (négligeable)

Premiers résultats

Résumé sous forme de tableau:

Algo Cône calib. RMS MinvIC 0.5 N -19,9 38.5 82 GeV

Regardons ce qui se passe quand ces paramètres varient

Premiers résultats

Ajoutons la correction en énergie

Recentrage du pic

Type de résultats attendus

Les écarts en énergie et impulsion:

- Reconstruction « Standard »:

- Avec calibration

-IC (Iterative Counter)

-Cone de 0.5

Premiers résultats

Résumé sous forme de tableau:

Algo Cône calib. RMS MinvIC 0.5 NO -19,9 38.5 82 GeVIC 0.5 YES 7,8 32,2 115 GeV

Amélioration certaine de la calibration

Léger décalage vers la droite

Affinement du pic

Premiers résultats

Changeons la taille du cône

Trop grand décalage car correction inadéquate

Cone de 0,7

Premiers résultats

Changeons l’algorithme de reconstruction:

Correction inadaptée

Premiers résultats

Tableau Récapitulatif:

Algo Cône calib. RMS MinvIC 0.5 NO -19,9 38.5 82 GeVIC 0.5 YES 7,8 32.2 115 GeVIC 0.7 YES 15.2 33.4 128 GeVKT 0.5 YES 23.1 32.6 129 GeV

Espace des phases gigantesques

Mais voici le vrai problème à résoudre…

Premiers résultats

Masse invariante suite à la recombinaison des jets:

Toutes les paires de jets !

Nécessité d’optimiser la reconstruction des jets

Type de résultats attendus

Les écarts en énergie et impulsion:

Grands écarts d’énergie

“b-tagging”

Une des sources d’erreur dans la reconstruction est:

- le tagging des jets b en jets de b

- le tagging des autres jets en jets de b

Efficacité du "b-tagging"

05000

1000015000200002500030000350004000045000

u d s c b b fromh

Différents types de jets

Nombre de jets

Nombre de jets taggésen b

57%

Comparaison efficacité b tagging

0

10

20

30

40

50

60

u d s c b b from h

Cone 0.5

Cone 0.7

!!! Sans jouer sur le « b_tagging »

Nécessité d’optimiser le b tagging

Perspectives de travail

• Une meilleure compréhension des codes de reconstruction pour affiner mes choix de paramètres

• Trouver la configuration idéale pour mettre en évidence un Higgs à 116 Gev comme le prédit les simulations Monte Carlo – Comprendre pourquoi telle ou telle configuration est

bonne ou pas– Justification plus théorique – Faire un “fit” de mon pic, améliorer la qualité du pic et

enfin calculer la significance

Perspectives de travail

• Une meilleure compréhension des codes de reconstruction pour affiner mes choix de paramètres

• Trouver la configuration idéale pour mettre en évidence un Higgs à 116 Gev comme le prédit les simulations Monte Carlo – Comprendre pourquoi telle ou telle configuration est

bonne ou pas– Justification plus théorique – Faire un “fit” de mon pic, améliorer la qualité du pic et

enfin calculer la significance

Un vrai puzzle…