Martina Schäfer 1 Etude du canal Z e + e - en simulation complète en vue de la discrimination entre des modèles au-delà du modèle standard ATLAS@LHC Martina

Martina Schäfer 1

Etude du canal ZEtude du canal Z ee++ee- - en simulation en simulation complète en vue de la discrimination entre complète en vue de la discrimination entre des modèles au-delà du modèle standarddes modèles au-delà du modèle standard

ATLAS@LHCATLAS@LHC

Martina SchäferMartina Schäfer

Soutenance DEIRSoutenance DEIR

25 octobre 25 octobre 20042004

travail préparé autravail préparé au LPSC LPSC sous la direction de: sous la direction de:

F.LedroitF.Ledroit (LPSC-Grenoble) pour l’obtention du (LPSC-Grenoble) pour l’obtention du DEIRDEIR et et Th.MüllerTh.Müller (Universität Karlsruhe) pour la (Universität Karlsruhe) pour la DiplomarbeitDiplomarbeit

IEKP

Martina Schäfer 2

LHC et ATLAS

Modèles pour le Z’

Limites de découverte

Bruit de fond

Simulation Monte Carlo

Reconstruction de Mee

Variables discriminantes

Résumé et perspectives

génération simulation

complète

, , AFB

DEIR 25octobre 2004Martina Schäfer 3

LHC et ATLAS


LHC @ CERN (1)LHC @ CERN (1) machine p-p avec 14 TeV (Fermilab 2 TeV) 2007-2009: L ~ 21033 cm-2s-1, Ldt 20 fb-1 par

année 2009-20xx: L ~ 1034 cm-2s-1, Ldt 100 fb-1 par

année 23 événements biais minimum par croisement à

haute luminosité (empilement) flux de radiation

(107Gy en 10 ans) taux de collision 40MHz

coût : 4000 MCHF (machine+expériences)

> 4000 physiciens(plus de 35 nations)


LHC @ CERN (2)LHC @ CERN (2) l’origine de la masse des particules

théorie électro-faible vérifiée avec une précision jusqu’à 10-5

origine de la masse des particules inconnue postulat: boson de Higgs ( masse)

MH > 114.4 GeV (LEP) et MH < 1 TeV (théorie)MH < 193 GeV @ 95% niveau de confiance (ajustement global données électro-faible)

le MS est-il une théorie ultime? MS probablement l’approximation d’une théorie plus générale à

basse énergie nouvelle physique et physique inattendue

mesures de précision déviations du MS connaissance du fond pour la

recherche de nouvelles particules

d’autres questions ouvertes p.ex. les fermions sont-ils

élémentaires?

motivation


LHC @ CERN (3)LHC @ CERN (3)

ATLAS CMS LHCb physique du B violation CP

ALICE ions lourds plasma quark-

gluon

nombreux

domaines


ATLAS (1)ATLAS (1)optimisé pour la recherche du Higgs et de la

nouvelle physique

collaboration (bât.40)

caverne d ’ATLAS

site d ’ATLAS


largeur: ~40mrayon: ~10mpoids: ~ 7000 tcanaux électriques: ~108

cables: ~3000 km

calorimètre électromagnétique ECALidentification électron/photon excellente

bonne résolution en E

ATLAS (2)ATLAS (2)

chambres à muonsréponse rapide pour le trigger

bonne résolution en p

calorimètre hadronique HCALbonne performance pour les jets

et ET manquante

détecteur interne IDtraces des particules

chargéeshaute précision sur le

paramètre d’impact

comparaiso

n


ATLAS (3)ATLAS (3)

divisés en barrel (tonneau) et end-caps (bouchons)

ECAL technologie argon liquide

LArg ||<3.2 ( pseudo-rapidité) bonne précision

jusqu’à ||=2.5

HCAL Fe, scintillateurs

||<1.7 LArg (1.5<||<4.9)

e- : calorimètres


ATLAS (4)ATLAS (4)

calorimètre à échantillonnage milieu sensible : argon liquide absorbeur : plomb ~24X0 (barrel), ~26X0 (EC) structure accordéon 3 compartiments longitudinaux

« strips »: séparation / « middle »: dépôt d’énergie principal « back »: gerbes très énergétiques

segmentation en cellules, ~200 000 canaux

résolution (haute E)

pré-échantillonneur PS en ||<1.8 pertes d’énergie dans la matière traversée en amont

%45.0%5.9

EE


ATLAS (5)ATLAS (5)

module dubarrel

1ère roue du barrel

LPSCaccordéon (barrel)

PS


Modèles pour le Z’

&

Limites de découverte


Modèles pour le Z’ (1)Modèles pour le Z’ (1)

SSM Sequential Standard Model Z’ avec les mêmes constantes de couplages

que le boson Z habituel

La recherche du Z’ est motivée par le grand nombre de modèles au-delà du modèle standard qui possèdent un Z’. Comme il s’agit d’un canal qui sera facilement mis en évidence, c’est un moyen excellent pour distinguer ces modèles.

Modèles E6

modèles effectifs de rang 5 basés sur GUTS, extensions populaires: SO(10) et

E6

E6SO(10) x U(1)SU(5)xU(1)x U(1)MSxU(1)ß

Z’=sinß Z + cosß Z étudiés: Z, Z et Z


Modèles pour le Z’ (2)Modèles pour le Z’ (2)

Modèles symétriques LR SU(2)LxU(1)Y du MS étendu

à SU(2)LxSU(2)RxU(1)Y

=gL/gR: rapport des couplages du boson gauche et droit

étudié: =1

objectif: étude des variables discriminantes

Z’(KK): dimensions supplémentaires, Kaluza-Klein fermions confinés sur une

3-brane, bosons de jauge se propagent avec la gravitation dans des dimensions supplémentaires petites perpendiculaires aux branes

ici: une dimension supplémentaire, compactifiée sur S1/Z², tous les fermions sur le même « orbifold point »

tour de résonances Kaluza-Klein pour tous les bosons de jauge avec M²n=(nMc)²+M0², Mc échelle de compactification, M0 masse du boson de jauge habitueln=1 n=2

n=3n=4

MC=1TeV


Limites de découverte (1)Limites de découverte (1)Limites de découverte – directe et indirecte

SSM >1.5TeV indirect, >690GeV direct

Modèles E6

>350..680GeV indirect, >590..620GeV direct

Modèles symétriques LR >860GeV indirect, >630GeV direct

Z’(KK) 4TeV (indirect par des mesures électrofaibles SI

boson de Higgs léger + dans le bulk)

Mélange entre le Z’ et le Z négligeable


Limites de découverte (2)Limites de découverte (2)Résultats actuels du Tevatron

printemps 2004 – 200pb-1

200pb-1

fin d’été 2004

CDF


Limites de découverte (3)Limites de découverte (3)

CDF: SSM, E6

DØ: KK

Résultats actuels du Tevatron

printemps 2004 – 200pb-1

Données

MS

MS + 1dim.sup.petite

Mc>1.12TeV


Bruit de fond


Bruit de fond physique (1)Bruit de fond physique (1)bruit de fond irréductible: Drell-Yan (Z=,Z)

en plus: effet d’interférence avec le Z’

ne peut et ne sera jamais traité séparément du signal

autres bruits de fond:(signature e+e- ou e)

tt, bb, …

VV’

…

Z’

Z’+DY

Z’DY

signal: Z =Z’


Bruit de fond physique (2)Bruit de fond physique (2)

bb

à 1.5 TeV, génération

à 1.5TeV, avec efficacité 100%,sans aucune coupure,1 année basse luminosité (20fb-

1)pic Z’ DY

SSM 1540 13

Z’() 450 5

pT(e) << 50GeV

mis-identification d’un photon: 4%

estimation rapide du nombre des évts attendu autour du pic en masse pour 1.5TeV et 4TeV (génération avec Pythia)

Mll/GeV


Bruit de fond physique (3)Bruit de fond physique (3)

à 4 TeV, génération

Mll/GeV

Signal très propre, tout

bruit de fond estnégligeable comparéavec le DY et ne serapas pris en compte

dansce travail.

à 4TeV, avec efficacité 100%,sans aucune coupure,1 année haute luminosité (100fb-

1)pic Z’ DY

SSM 25 0.3

Z’() 10 0.1

à étudier:Z’ DY


Simulation Monte Carlo

(signal Z’ DY )


Simulation MC (signal) (1)Simulation MC (signal) (1) canal Z’ e+e-

génération avec Pythia simulation complète (détecteur) avec

Athena

pour le Z’(KK):processus externe défini par l’utilisateur dans Pythia (T.Rizzo, G.Azuelos)

ola forme BW complète est incluse pour le photon et le Z et leurs 2 premières résonances

oles masses et couplages sont définis, les largeurs calculées

oles autres résonances sont re-sommées

oles éléments de matrice sont interfacés avec Pythia, Pythia est utilisé pour le QCDshowering des quarks initiaux et l’hadronisation (PDF: défaut, CTEQ5L)

SN-ATLAS-2003-023

G.Azuelos, G.Polesello


Simulation MC (signal) (2)Simulation MC (signal) (2)

pour les autres modèles:processus prédéfini dans Pythia pourmodèles avec ce Lagrangian pour le courrant neutre

Z Z’

couplages pour le SSM, les modèles LR et E6


Simulation MC (signal) (3)Simulation MC (signal) (3) génération avec Pythia

Z’(KK) à 4 TeV Z’(autres modèles) à 1.5TeV et 4TeV avec la structure

d’interférence complète (DY) sans ISR/FSR, coupure CKIN(1) soit 1000GeV soit

2500GeV 60 000 évts pour chaque modèle

simulation complète avec Athena Z’(SSM, LR, E6) à 1.5TeV avec DY Z’(SSM) et Z’(KK) à 4TeV avec DY avec ISR/FSR, coupure CKIN(1) = 500GeV à 1.5TeV 10 000 évts dans le pic à 1.5TeV

basse luminosité (sans empilement) single électrons/photons et dijets pour

l’identification et la calibration desélectrons


Reconstruction de Mee


CinématiquesCinématiques

pT des e- et

e+

=(e-,e+)T (lab) pz du Z’

simul.

fullsimsimul.

|| des e- et e+

pour le SSM à 1.5TeV (génération)


Identification des électronsIdentification des électrons uniquement clusters avec ET>50GeV

1 cluster : x = 0.075 x 0.175 (défaut)

sélection variable “ISEM” (identification des électrons

“standard”) nombre de traces (1 or 2) nombre de hits dans le détecteur interne (au moins 6)

efficacité électrons (single électrons, DC1, 200GeV): 91% électrons (single électrons, DC1, 1000GeV): 87% photons (single photons, DC1, 200GeV ): 4% jets (dijets, DC1, 560GeV): 0.13%

en plus: coupure sur l’angle , électrons isolés = (e-,e+)T dans

le laboratoire


CalibrationCalibration calibration “standard”: photons de-calibration et re-calibration seulement tonneau validée avec single électrons (200GeV et 1TeV)

Stathes Paganis (University of Wisconsin)H4e

/E0.7%

résolution sur l’énergie des électrons

(Z’ à 1.5TeV)

résultats:Z’ (SSM 1.5TeV)electrons à

750GeV(E)/E (E=750GeV)

=9.5%sqrt(E)-1 0.45% 0.6% ok

(M)/M (M=1.5TeV)= sqrt(2) (E)/E 0.8% ok


Reconstruction du Z’Reconstruction du Z’ (1) (1)seulement événements avec

2 électrons identifiés e+ et e-

2 électrons dans le tonneau

résolution sur la masse (1.5TeV)

= 11 GeV

+ queues

/E 0.7%

pertes par bremsstrahlung et FSR non-inclus dans cluster négligées

vérité

re-calibré

non re-calibré

Mll/GeV


Reconstruction du Z’ (2)Reconstruction du Z’ (2)acceptance(55%, tonneau 45% )

en |Y|

en |cos|

en |cos| pour différent bins de |Y|

|Y| élevée

|Y| basse

= (q,e-) dans le repère

du Z’

rapidité du Z’


Largeur totaleLargeur totaleSection efficace Section efficace

leptoniqueleptoniqueAsymétries avant/arrièreAsymétries avant/arrière

Variables discriminantes


L’iL’interférencenterférence

Mll(GeV) avec int.

l’interférence : SSM (génération)

Mll(GeV) DY

pic

destructif

plus mince

plus large

/GeV

l’interférence : Z’(KK)

destructif !

Mll(GeV) DY+Z’

Mll(GeV) avec int.

/GeV

/GeV


Largeur totale (1)Largeur totale (1)ajustement pour la largeur totale - génération

exp (DY)

BW

BW*exp+exp

±4 pic

DY

luminosité des partons +

interférence

/GeV

exemple:modèle Z’() à 1.5 TeV

KK: sans l’exp pour le DY

DY pur:

approximé par exp


Largeur totale (2)Largeur totale (2)

tous les modèles, génération

1.5TeV

/GeV


Largeur totale (3)Largeur totale (3)ajustement pour la largeur totale -- simulation complète

résolution du détecteur

largeur naturelle

[Res][BW*exp+exp]

G+G+G

G+G

DY

M recalibrée

fit

résolution:

parametré par:

Gauss+Gauss (pic central + queues)

Gauss+Gauss+Gauss(préliminaire)

simulation complète, SSM 1.5TeV

Mll/GeV


Largeur totale (4)Largeur totale (4)résultats à 1.5TeV – génération et simulation

(GeV)

(gen)

Theo.

(GeV)

(GeV)

G+G

(GeV)

G+G+G

SSM 45.9 0.3

44.7 53.8

1.3

46.5

2.5

8.0

0.1

8.0 11.8

0.2

8.9

0.6

10.1

0.1

9.5 13.5

0.2

9.8

0.6

18.4

0.1

17.6 20.8

0.4

16.5

0.8

LR 31.5

0.2

30.6 34.3

1.2

28.4

1.2

syst jusqu’à 6%

déjà au niveau de la

génération, jusqu’à

10% en simul.,plus importantpour petit

souvent surestimée

erreur stat.

bon acco

rd!


Largeur totale (5)Largeur totale (5)(GeV)

(gen)

Theo.

(GeV)

SSM 121.9

0.8

119.2

24.7

0.3

21.2

30.0

0.3

25.2

51.1

0.2

46.8

LR 88.0

0.6

81.6

KK 180.0

1.2

résultats à 4TeV

/GeV

erreur stat.

142.0 4.3

194.5

16.0

Simul.

(GeV)génération bon acco

rd!


Largeur totale (6)Largeur totale (6)

Cette seule variable n’est pas suffisante pour discriminer, exemple modèles E6

1

2

Z’=sinß Z + cosß Z


Section efficace leptoniqueSection efficace leptonique (1)(1) calculée à partir de

la luminosité (section efficace de Pythia)

le nombre d’événements dans le pic sans le DY

dans 4 acceptance 1 (génération) en accord avec Pythia * ( décroissances exotiques du

Z’)(n )/(15 )

LR

1.5TeV, génération

(fb)

*(GeV fb)

SSM 0.25

0.001

30.7

0.3

0.08

0.001

1.9

0.03

0.09

0.001

2.7

0.03

0.14

0.001

7.0

0.1

LR 0.16

0.001

14.0

0.1

KK 2.3

0.01

415.2

3.2

résu

ltats à

4TeV

, gén

éra

tion

et sim

ul.

0.24 0.0

1

2.2 0.1

erreur stat.


Section efficace leptonique Section efficace leptonique (2)(2)

gén.(fb)

gén.*(GeV fb)

Pythia

(fb)

simul.(fb)

simul.

*(GeV fb)

SSM 76.9

0.5

3532.5

34.9

78.8 78.3

3.0

3642.5

240.9

22.8

0.1

181.6

2.2

23.5 23.3

0.5

207.1

13.8

25.9

0.1

260.5

2.7

26.3 26.7

0.5

260.2

15.8

46.7

0.3

859.2

8.3

47.9 47.6

1.1

782.6

42.5

LR 49.7

0.6

1565.8

19.0

50.0 50.7

1.1

1440.6

70.5

résu

ltats à

1

.5TeV

erreur stat.

bon acco

rd!


Avant/Arrière (1)Avant/Arrière (1)

dans collisions pp il n’y a pas de direction avant/arrièrenaturelle direction du q “avant” direction du q approximée

par la direction du Z’(le quark est en général un quark de valence et alors plus rapide que l’antiquark de la mer)

dans 25% des cas faux l’approximation est mieux à

haute rapidité Y du Z’

fraction des evts où l’approximation est fausse

|Y| > 0.8: 10% faux

paramétré par pol2

1.5TeV, génération

(Y)


Avant/Arrière (2)Avant/Arrière (2)

* = (e-,q) * = (e-,Z’) * = (e-,l’axe z)

distribution cos *

exemple:Z’() à 1.5 TeV

(génération)

dans le repère du Z’:

cos* est asymétriqueA(true)

cos* perte de l’asymétrieA(obs)

A(cor) cos* est symétrique

M

Y


AAFBFB (1) (1) en fonction de Men fonction de M

ou

exemple:Z’(SSM) à 1.5TeV,génération

Conclusion:Accord entrel’ajustement et lecomptage – sil’acceptance estbien connue.

A_FB(M)=(N+-N-)/NN+: cos>0, dans chaque

bin en M! il faut corriger

l’acceptance !

ajustement à la distribution cos dans chaque bin de M

3/8(1+ cos2) + A_FB cos

A(true) – vraie direction du quark

ajustement

comptage

Mll/GeV


AAFB FB (2) (2) en fonction de Men fonction de M

exemple:Z’() à 4TeV, génération

ajustement

direction du q – A(true)

direction du Z’ – A(obs)

Conclusion:Perte de

l’asymétrie avant/arrière.

Mll/GeV



exemple:Z’() à 1.5TeV, génération

littérature:sans(avec) coupure |Y|>0.8 (comptage)

q, sans coupure A(true)

q, avec coupure A(true)

Z’, sans coupure A(obs)

Z’, avec coupure A(obs)Conclusion:

La coupure en |Y|réduit la perte de l’asymétrie

avant/arrière.Mais: l’acceptancedécroît avec |Y|.



exemple:Z’(SSM) à 1.5TeV,simul.

facteur de dilution: A(obs)=D A(true),

D=1-2(y)

ajustement en « 2D » à la distribution cos dans chaque bin de M

3/8(1+ cos2) + A*(1-2(Y)) cos

A(true)

A(obs)

A(cor)

simple divisionne marche pas,

comme Ddépend du modèleConclusion:Ajustement en « 2D »marche, (y) estindépendant des

modèles,mais dépendent de la masse.Avantage: accèsà A(cor)A(true) et nonpas seulement à A(obs)



A(true), 4TeV génération

Mll/GeV


AAFBFB (6) (6) en fonction de Men fonction de M

Résultats (sur le pic)

gen. 1.5TeV

gen. 1.5TeV

simul.

1.5TeV

gen. 4 TeV

gen. 4 TeV

SSM 0.08

0.01

0.08

0.03

0.06

0.06

0.09

0.01

0.07

0.03

0.01

0.01

0.02

0.03

-0.01

0.06

0.01

0.01

-0.01

0.03

-0.35

0.01

-0.26

0.03

-0.31

0.06

-0.31

0.01

-0.26

0.03

-0.07

0.01

-0.05

0.03

-0.08

0.06

0.05

0.01

0.04

0.03

LR 0.19

0.01

0.17

0.03

0.20

0.06

0.19

0.01

0.16

0.03

KK 0.52

0.01

0.47

0.03

DY 0.63

0.01

0.61

0.04

0.41

0.28

0.59

0.03

0.54

0.07

A(true)

A(cor)

erreur stat.

erreur stat. + erreur syst. d’(y)

bon acco

rd!


AAFB FB (7) (7) en fonction de Yen fonction de Y

simul.

exemple:Z’(LR) à

1.5TeVgénération

A_FB(Y)=(N+-N-)/NN+: cos>0, dans chaque bin

d’Y

! il faut corriger l’acceptance !A_FB(-Y)= - A_FB(Y)

exemple:Z’() à 4TeVgénération


AAFB FB (8) (8) en fonction de Yen fonction de Y

gen. 1.5TeV simul. 1.5TeV gen. 4 TeV

SSM 0.07 0.01 0.08 0.03 0.15 0.03

0.01 0.01 0.01 0.03 -0.02 0.02

-0.22 0.03 -0.25 0.01 -0.49 0.06

-0.04 0.01 -0.07 0.03 -0.06 0.02

LR 0.16 0.03 0.14 0.04 0.28 0.04

KK 0.84 0.01erreur stat. +

erreur syst. de l’acceptance

A_FB(Y) caractérisée par la pente d’une droite.

bon acco

rd!


Résumé


Résumé et PerspectivesRésumé et Perspectives

étude de différents modèles à 1.5TeV et 4TeV étude du bruit de fond et de l’interférence identification et calibration des électrons au niveau de la génération, et pour la première fois en

simulation complète d’ATLAS: étude des variables discriminantes pour différents modèles de Z’

largeur totale section efficace leptonique asymétries avant/arrière

Première analyse des variables discriminantes en simulation complète Outils prêts et testés pour appliquer à d’autres modèles

et nouvelles simulations Prochain objectif: fit global pour distinguer les modèles


! Bonne chance !


FIN


FormulesFormules Theoretical decay width = gx² /48 (cv²+ca²) Mx (for mf=0)

gx=g/cosw, g=e/sin w

Extra dimensions S1: y=0..2R, 0=2R Z²: y=-y=2R-y Fix points: 0 et

Dilution A_FB(obs)= (1-2eps) A_FB(true),

eps: % of wrong q direction

Charge miss-identification: 3.5% à 1.5TeV


AngleAngle

définition de l’angle *


DecayDecay


Théorie de groupeThéorie de groupe rang:

nombre de générateurs qui peuvent être diagonalisés simultanément

rang SU(n) = n-1

SM: rang 4 (ew. 1, faible 1, forte 2) seule possibilité avec rang 4: SU(5) (exclu par la durée du vie

du proton) SO(10) le groupe le plus simple, le plus petit de rang 5

E6: « exceptional simple Lie group » rang 6 (rang eff. 5) dimension 78 représentation fondamentale: dimension 27 (complexe)


Calibration (1)Calibration (1) “standard” calibration

:photons

de-calibration re-calibration only barrel

beforerecalib.

afterrecalib.

energy

Stathes Paganis (University of Wisconsin)

200GeV

/E=0.9%

(E)/E (E=200GeV) =9.5%sqrt(E)-1

0.45% 0.8% ok


Calibration (2)Calibration (2)

/E=0.8%

energy

1TeV afterrecalib.

beforerecalib.

(E)/E (E=1000GeV) =9.5%sqrt(E)-1

0.45% 0.5% ok


Calibration (3)Calibration (3)Results on the Z’ (SSM 1.5TeV), electrons at about 750GeV(E)/E (E=750GeV)

=9.5%sqrt(E)-1 0.45% 0.6% ok(M)/M (M=1.5TeV)

= sqrt(2) (E)/E 0.8% ok

/E0.7%

resolution of electrons (Z’ at

1.5TeV)


Largeur totaleLargeur totaleZ’(KK) résonances:

superposition de (n) et de Z(n)

fit par (BW+BW)*exp

dans le générateur (pour M=4TeV):

((1)) = 169.70GeV

(Z(1)) = 241.95GeV

résultat du fit (pour M=4TeV):

(dans l’hypothèse ((n)) /(Z(n))=const. et

connu)

((1)) = 166.4 1.4GeV

(Z(1)) = 236.2 2.0GeV

/GeV


AAFB FB en fonction de Yen fonction de Y

SSM 0.09 0.07

KK 0.26 0.15l’acceptance n’est pas adaptée !

à 4TeV en simulation complète


AAFB FB en fonction de en fonction de M – hors picM – hors pic


ModèlesModèles

Zeit.Phys. C65 (1995) 603

MZ’

Z’


AcceptanceAcceptance

Documents

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