Présentation des exercices de Travaux Dirigés: Etude des Bosons W Sylvie Dagoret-Campagne MasterClasses 2011 1 4 et 14 Mars 2011

Présentation des exercices de Travaux Dirigés:

Etude des Bosons W

Sylvie Dagoret-Campagne

MasterClasses 2011 1

4 et 14 Mars 2011

La physique du LHC

LAL, MasterClasses 2011 2

Production d’un boson W


Visualisation d’événements avec le logiciel Minerva-Hypatia : 1/11


Cette image montre l'écran de démarrage du programme MINERVA avec ses deux fenêtres, ATLANTIS CANVAS (cadre rouge) qui propose différentes vues du détecteur lors d'un événement et l'interface graphique ATLANTIS GUI (cadre vert) qui contrôle les réglages du logiciel et fournit des informations supplémentaires sur l'événement.

Visualisation d’événements avec le logiciel Minerva-Hypatia :2/11


Cette image montre la fenêtre CANVAS qui permet de visualiser l'événement. Elle n'offre pas de vue en trois dimensions mais plutôt des projections à deux dimensions. Dans le coin supérieur gauche (cadre rouge), on peut voir une vue en coupe du détecteur perpendiculairement à l'axe des faisceaux. En dessous (cadre bleu), se trouve la vue de côté correspondante. L'image dans le coin supérieur droit (cadre jaune) renseigne sur les dépôts d'énergie individuels des particules. Leurs positions sont disposées sur un plan qui représente la surface du détecteur déroulé. La taille des tours jaunes indique la quantité d'énergie déposée à un endroit donné. Enfin chaque événement a un titre affiché en haut de la fenêtre (cadre vert).

Visualisation d’événements avec le logiciel Hypatia : 3/11


Les couches successives du détecteur sont identifiées par des couleurs dans les vues de face et de côté. Le détecteur interne est gris, le calorimètre électromagnétique vert, le calorimètre hadronique rouge et les chambres à muons bleues.

Visualisation d’événements avec le logiciel Minerva-Hypatia : 4/11


Les trajectoires des particules chargées électriquement sont représentées par des tracés colorés sur l'image de l'événement. Elles ont été reconstruites à partir des mesures. La couleur de la trace dépend d'une quantité importante pour la physique, l'impulsion transverse, c'est à dire la composante de la quantité de mouvement dirigée perpendiculairement par rapport à l'axe des faisceaux. Cette convention vous aidera à interpréter l'événement. Ainsi, dans la zone agrandie, vous pouvez voir deux traces, l'une rouge (grande impulsion transverse) et l'autre bleue (faible impulsion transverse).



Relier des dépôts d'énergie dans les calorimètres à des traces données observées dans le détecteur interne n'est pas toujours simple. Pour cet événement vous pouvez voir qu'il n'y a pas de lien clair entre le trajectographe et les calorimètres. Dans un cas comme celui-ci il faut apprécier ce qui s'est passé. Les dépôts d'énergie dans les calorimètres électromagnétique et hadroniques sont représentés par des cellules jaunes dans les images.



En plus des neutrinos, les muons sont les seules particules produites lors des collisions qui peuvent atteindre les régions externes du détecteur. Ils sont observés dans les chambres à muons représentées en bleu. Une chambre touchée par un muon apparaît en orange. Deux commentaires : 1) l'image peut changer beaucoup d'une projection à l'autre ; ainsi, un élément entier du détecteur à muon peut être coloré en orange sur la vue en coupe alors qu'on ne verra que quelques points oranges sur la vue de côté correspondante. 2) Certains coups dans les chambres à muons externes sont dus à des particules parasites traversant la caverne d'ATLAS. La plupart de ces particules proviennent d'interactions du faisceau hors du détecteur, lesquelles produisent des neutrons et d'autres particules. Les muons issus de collisions au centre du détecteur laissent en général des traces dans TOUTES les chambres à muons.



Vous utiliserez principalement la fenêtre du GUI pour charger des fichiers (option "Read Event Locally" du menu "File" indiqué par le cadre vert). L'archive lue contient de nombreux fichiers consacrés chacun à un événement donné. En cliquant sur les flèches "Précédent" et "Suivant" dans le menu en haut à droite (ellipse marron) vous pouvez avancer ou reculer d'un événement à la fois. A l'aide de la barre d'outils (cadre rouge) vous pouvez changer la vue de l'événement (par exemple en zoomant vers l'avant ou l'arrière). Des informations sur les particules sont également disponibles. Elles apparaissent dans la zone entourée d'un cadre bleu. Vous pouvez également définir vos propres critères pour l'affichage des particules d'un événement en cours de visualisation au moyen de l'onglet 'cuts' (cadre jaune).



Cet événement est très complexe. En particulier vous pouvez voir beaucoup de traces qui ne sont pas toutes intéressantes. Les particules recherchées ont une grande impulsion transverse (la composante de leur quantité de mouvement perpendiculaire à l'axe des faisceaux) et on peut les sélectionner.



Dans la fenêtre du GUI vous pouvez utiliser l'onglet "Cuts" pour n'afficher que les particules dont l'impulsion transverse excède un certain seuil. Pour cela, il suffit d'entrer la valeur du seuil en impulsion transverse dans la fenêtre correspondante (cadre jaune : essayez avec 10 GeV !) et de la confirmer en appuyant sur la touche entrée. Vérifiez également que la petite case à gauche du nom de la variable (ici Pt) est cochée. Passez à l'image suivante pour voir le résultat de cette action.



Maintenant l'image est plus claire. Afin d'obtenir des informations sur les particules restantes, vous pouvez utiliser la touche "donne moi des infos" de la barre d'outils (cadre rouge). Cliquez ensuite sur une trace : sa couleur change et des données apparaissent dans la zone d'information. Pour voir un exemple, allez à l'image suivante.



Le cadre bleu regroupe les informations concernant la particule choisie.

Identification d’électrons : 1/5


Voici la signature d'un électron. La particule a laissé une trace (rouge) dans le détecteur interne (elle porte donc une charge électrique non nulle) et a dissipé toute son énergie dans le calorimètre électromagnétique puisque c'est la seule zone dans laquelle vous voyez des dépôts -- les petites boîtes jaunes à l'intérieur des zones vert-pâle qui représentent le calorimètre électromagnétique. Puisque le calorimètre hadronique et les chambres à muons sont vides, cette particule était soit un électron soit un positron.



Vue en coupe du même événement. La trace laissée dans les trois détecteurs internes ainsi que les petites boîtes jaunes marquant les dépôts d'énergie dans le calorimètre électromagnétique sont clairement visibles.



La vue de côté montre les mêmes éléments. Si vous combinez mentalement les deux vues en coupe vous obtiendrez une représentation de cet événement dans l'espace. C'est un excellent entrainement pour votre esprit.


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Comment savoir s'il s'agit d'un électron ou d'un positron ? Dans la barre d'outils de MINERVA vous trouverez un bouton en forme de main avec l'index levé. Appuyez dessus puis sélectionnez une trace sur l'image de l'événement (également en cliquant dessus). Des informations apparaissent alors dans la fenêtre en bas à droite. Parmi les données disponibles, vous trouverez par exemple les valeurs mesurées des trois composantes spatiales de l'impulsion (Px, Py, Pz) ainsi que celle de l'impulsion transverse (PT). L'image suivante vous donnera plus d'informations sur cette fenêtre.



Le signe de la quantité PT (négative dans cet exemple) renseigne sur la charge électrique portée par la particule qui a laissé cette trace. Une valeur négative signifie que la particule est chargée négativement. Une valeur nulle ou positive signifie que la particule a une charge électrique positive. Nous pouvons donc maintenant affirmer que la particule de notre événement est un électron.

Identification de muons : 1/4


Cette image montre une trace (orange) dans le détecteur interne, de faibles dépôts d'énergie dans les calorimètres électromagnétique et hadronique (représentés par les petites boîtes jaunes dans les zones en vert pâle et en rouge) et dans les chambres à muons (orange). Il s'agit d'un muon (ou d'un anti-muon) car c'est la seule particule observable qui peut traverser tout le détecteur et ainsi donner des signaux dans toutes ses couches.



Dans cette vue agrandie vous pouvez voir très clairement les traces oranges laissées dans les chambres à muons.



Sur cette vue de côté les impacts laissées dans les chambres à muons sont représentées par des croix oranges. Toutes ces croix sont reliées par une ligne orange pointillée qui reproduit la trajectoire suivie par la particule.



Muon ou anti-muon ? La même procédure que pour l'identification électron/positron permet de répondre à la question. Sur cette image on voit un muon (charge électrique négative).

Identification de Jets : 1/2

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Cet événement montre des "jets". Chaque jet est un agglomérat de nombreuses particules. Celles qui sont chargées électriquement laissent des traces dans le détecteur interne au contraire des particules neutres. Si vous prolongez ces traces vous trouverez beaucoup de dépôts d'énergie dans les calorimètres. D'autre dépôts proches ne peuvent pas être associés à une trace car ils ont été causés par des particules neutres électriquement. En particulier le calorimètre hadronique contient beaucoup de dépôts d'énergie. Cela vient du fait que chaque jet est produit par un gluon, un quark ou un antiquark éjecté par un proton lors de la collision. Pour que ce phénomène se produise il faut beaucoup d'énergie afin de vaincre les forces énormes qui maintiennent la cohérence du proton. Une partie de cette énergie est utilisée pour créer des paires quark-antiquark qui se déplacent toutes à peu près dans la même direction et s'assemblent pour former de nouvelles particules -- les hadrons. Ce sont eux qui génèrent les jets visibles sur cette image et qui ont été surlignés de gris pour être plus facilement reconnaissables.

Identification de Jets : 2/2


N'oubliez pas : un quark, antiquark ou gluon produit dans les détecteurs d'ATLAS une signature caractéristique appelée "jet" : souvent très étendue, elle se compose de traces laissées dans le détecteur interne auxquelles s'ajoutent des dépôts dans le calorimètre électromagnétique et surtout dans le calorimètre hadronique.

Energie manquante : 1/2

26LAL, MasterClasses 2011

Comment reconnaître un neutrino ? Les neutrinos n'interagissent avec aucun composant du détecteur ATLAS : ni le trajectographe, ni les calorimètres, ni les chambres à muons. Alors, comment peut-on détecter quelque chose que l'on ne voit pas ? Comme tous les quarks et tous les gluons des protons se déplacent le long de l'axe des faisceaux avant la collision, les composantes de leurs vitesses dans les directions perpendiculaires (et donc l'impulsion transverse globale) sont nulles. Par conservation de l'impulsion, l'impulsion transverse totale (la somme vectorielle des impulsions de toutes les particules) est également nulle après la collision. Si les mesures sont en désaccord avec cette loi pour un événement donné, trois hypothèses sont possibles. 1) Des particules invisibles pour le détecteur ont été produites (par exemple un ou plusieurs neutrinos qui emportent exactement l'impulsion transverse manquante). 2) Des particules transportant une partie de l'impulsion transverse totale traversent ATLAS sans être détectées. 3) ATLAS ne réalise pas de bonnes mesures.

Energie manquante : 2/2


Dans le détecteur ATLAS, l'impulsion transverse manquante est calculée à partir de l'énergie déposée dans les calorimètres et les chambres à muons. Lorsqu'il apparait un déséquilibre dans le bilan énergétique -- de l'énergie transverse manquante (ET manquante), on peut penser qu'un neutrino a été produit lors de la collision. Il y a deux manières de voir cela dans MINERVA: 1) en regardant la valeur ET manquante dans la zone en haut à droite de l'image et entourée d'un cadre gris ; 2) au moyen de la ligne pointillée rouge dans la vue de côté. Cette ligne indique la direction dans laquelle l'énergie manquante est partie. De plus, l'épaisseur du trait renseigne sur la valeur de cette énergie transverse manquante.

Vérification de l’identification des particules

https://kjende.web.cern.ch/kjende/fr/wpath_exercise1.htm




Evénements de Signal et de Bruit de Fond


Evénements de Signal W µνμ


https://kjende.web.cern.ch/kjende/fr/wpath_lhcphysics3.htm



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Dans ces vues en coupe et de côté plusieurs traces de particules sont visibles. C'est un événement typique observé avec le détecteur ATLAS. Notez la valeur importante de l'impulsion transverse manquante : 38 GeV. Un neutrino a donc été produit dans cet événement ce qui le rend intéressant pour nous ! Voyons si nous pouvons également identifier les autres particules.



La vue de face agrandie montre clairement un muon (ou antimuon). Sa trace dans le trajectographe est dans la direction opposée à la ligne rouge en pointillés. C'est un élément important en faveur de la désintégration d'une particule W en un muon (qui se déplace vers la gauche sur l'image) et un neutrino (qui part vers la droite).



Beaucoup de traces sont visibles dans la vue de côté sur l'image du haut. Afin de conserver seulement les particules ayant une haute impulsion transverse, on peut définir des "coupures". Dans ce cas, seules les particules dont l'impulsion transverse dépasse une valeur minimale donnée seront conservées. Ce seuil doit être défini : 25 GeV est une valeur raisonnable pour cette coupure. Son effet est visible sur l'image du bas.

Evénements de Signal W e νe






Dans cette vue en coupe vous pouvez voir la signature laissée par un electron avec une haute impulsion transverse et un neutrino (MET = 39 GeV) émis dans la direction opposée. L'électron isolé est aussi bien visible sur la vue de côté.



L'information sur la trace laissée par le lepton nous dit que c'est vraiment un électron (regardez en particulier le signe négatif de PT).

Comment sélectionner des événements W

Afin d'identifier un événement de signal vous utiliserez les critères suivants:

• Il y a exactement un lepton (un électron, un positron, un muon, un anti-muon),

• qui apparait isolé (c'est à dire il ne semble pas l'intérieur d'un JET) et

• qui a une impulsion transverse (Pt) supérieure à 20 GeV. En outre,

• a une impulsion transverse manquante (MET) d'au moins 25 GeV et

• l'angle entre le lepton chargé et la ligne MET doit être entre 160° et 200°.

Ce n’est que si tous ces critères sont réunis, qu’une particule W a été créé dans cet événement et donc nous l'appelons un événement de « signal W » .


Bruit de fond en Jets




Bruit de fond en Jets :1/3


Cet événement se démarque des événements "signal" de deux manières : 1) des gerbes de particules sont visibles et 2) la valeur de l'impulsion transverse manquante est trop faible pour qu'un ou plusieurs neutrinos aient été produits.

Bruit de fond en Jets: 2/3


Les deux vues zoomées montrent clairement les paquets de particules.

Bruit de fond en Jets : 3/3


Cette image montre la vue agrandie d'un autre événement. Ici vous pouvez voir deux points de collision séparés approximativement par 60 centimètres et indiqués par des cercles rouges. Cela vous donne une idée de la difficulté pour identifier les événements cherchés en pratique.

Bruit de fond en Z μμ






Cette image d'un événement montre la désintégration d'un Z, la particule électriquement neutre médiatrice de l'interaction faible. Ce Z s'est immédiatement désintégré en une paire muon-antimuon.



Comme le montre cette vue agrandie dans la direction du faisceau de protons, le muon et l'antimuon ont été émis dos à dos. Ces deux particules peuvent provenir d'une particule qui s'est désintégrée immédiatement après sa création. De plus, il n'y a pas du tout d'impulsion transverse manquante ce qui veut dire qu'aucun neutrino n'a été produit.



Des vérifications sont toujours nécessaires pour prouver qu'une particule Z a été produite. Ici les deux muons ont bien des charges électriques opposées.

Recherche du boson de Higgs


Si vous trouvez des paires de W, c’est le succès mondial !

bruit signal

Recherche du boson de Higgs

Les critères, permettant d'identifier un candidat possible de particule de Higgs sont les suivants :

• Il y a deux leptons, de charge opposée (électron ou/et muon),

• tout deux isolés ( pas dans un jet),

• chacun d'eux doit avoir une impulsion transverse d'au moins 20 GeV. En outre,

• Il y a une énergie transverse manquante d'au moins 40 GeV,

Ce n'est que si tous ces critères sont réunis, qu’une particule de Higgs pourrait avoir été produite dans cet événement

et donc nous l'appelons un « événement candidat-Higgs ».


Exercice d’identification d’événements


• Essaie de Minerva

• Résultats:• https://kjende.web.cern.ch/kjende/fr/wpath_exercise2.ht

m

atlantis - Raccourci.lnk




Feuille de résultats à remplir par chaque groupe

N = 0positron

e+electron

e-

antimuon

μ+

muon

μ-

A

B

Q

R

S

T Total 0 0 0 0 0 0

0 0#DIV/0! #DIV/0!

± #DIV/0!Total 604 403 656 425

Total W+/W-number of W+ 1260 number of W- 828

± 0,03

N = 0uncertainty:

* Measurement of the W -> lnu and Z/gamma* -> ll production cross sections in proton-proton

com

pari

son

wit

h A

TLA

S*

ratio in ATLAS

R± 1,52uncertainty:

number W++W-

Events W → ... + ν

background WW

0

Each

of

the

20 g

roup

es a

naly

se 5

0 ev

ents

anal

ysis

Total W+/W-number of W+ number of W-

ratioR± #DIV/0!

Mesure de la structure du proton


• Il faut mesurer R= nombre(W+(qg)) /nombre(W-(qg)) = x/(1-x)

BACKUP


Rappel sur le détecteur ATLAS


La partie interne : les détecteurs de traces


La partie intermédiaire : les calorimètres


La partie externe : les détecteurs de muons


Documents

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