Étude du processus Soutenance qq Z e e de stage de Master

Étude du processus

avec le détecteur ATLASauprès du collisionneur LHC

'qq Z e e+ −→ →

Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble

Julien MOREL

Soutenance de stage de

Master 2

Directeur :F. LEDROIT

Jeudi 30 juin

2

Organisation de la présentation

1. L’outil expérimental

2. Production et détection de Z’ au LHC

3. Étude sur des données simulées

4. Méthode de discrimination

Les modèles théoriques

Le LHCL’expérience ATLAS

La largeur de désintégration et la section efficaceLes rapports d’embranchement

GUT et dimensions

supplémentaires

LEP et Tevatron

Calorimètre électromagnétique

5. Conclusion

Via la largeur et les rapports

d’embranchementEstimation du paramètre des modèles théoriques

Méthode de mesure

Les limites existantes

3

L’outil expérimental

1.L’outil expérimental

2.Production et détection de Z’ au LHC

3.Étude sur des données simulées

4.Méthode de discrimination

5.Conclusion

L’outil expérimental : Le LHC

• 26,7 km de circonférence

Le Large Hadron Collider • Collisionneur p-p

• Champ de 8,3 Tesla

• L ≈ 1033 -1034cm-2s-1

• Double tube à vide

• 4 expériences

• Fréquence de croisement 40 MHz

• = 14 TeVs

4

L’outil expérimental : L’expérience ATLAS

Le détecteur ATLASLe détecteur interne

Les chambres à muons

La calorimétrie

• Reconstruction des traces• Mesure du pT des particules chargées• Étiquetage des saveurs lourdes

• Mesure de l’énergie et de la position• Séparation des particulesEM / hadroniques• Mesure de l’énergie transverse manquante

• Identification des muons• Mesure de l’impulsion

5


Le calorimètre électromagnétique

• La géométrie en accordéon :

,e γ±

• La résolution :

• Calorimètre à échantillonnage :• Milieu absorbeur • Milieu actif

Plaques de plomb

Argon liquide

φ

r( ) 0.12 0.245 0.007EE EE

σ= ⊕ ⊕

Fluctuations statistiques

Bruit de l’électronique

Effets systématiques

6


Quelle physique pour le détecteur ATLAS ?

• Recherche du boson de HiggsÉtude du mécanisme de brisure de symétrie électrofaible

• Théorie électrofaible

Recherche de dimensions supplémentaires

• Recherche de nouvelle physique Supersymétrie

Mesure de précision des couplages des bosons de jauges

Physique du B

Structure des quarks et des leptons

Mesure de précision des masses du quark top et du boson W

Recherche de nouveaux bosons de jauge

…

…

7

Production et détection deZ’au LHC





5.Conclusion

Potentiel de découverte du Z’ avec ATLAS

(TDR)

, ,u d s

, , 'Z Zγ

, ,u d s

e−

e+

' = canal idéal pour la découverteZ e e+ −→

On suppose la découverte et on s’intéressent à la discrimination

100 fb-1

8

Production et détection de Z’ au LHC : Les modèles théoriques

Théories de grande unification( ) ( ) ( ) ( ) ( )6 3 2 1 1 1

C L YE SU SU U U U

ψ χ→ × × × ×

'Z η

'Zψ

'Z χ

0θ =

2πθ =−

5arctan3 2

πθ⎛ ⎞

= − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

( ) ( ) ( ) ( ) ( )10 3 2 2 1C L R B L

SO SU SU SU U−

→ × × ×

1R

L

gg

κ = = 'LRZ

Modèle standard séquentiel • Identique au modèle standard sauf au niveau de la masse

• Modèle de Kaluza-Klein = une seule dimension supplémentaire• R = rayon de compactification << 1 TeV ≈ 10-13m• Mn

2=(nMc)2 + M02 où M0 = masse du boson non excité (γ/Z)

Les dimensions supplémentaires 'KKZ

'SSMZ

' cos ' sin 'ψ χθ θ= × − ×Z Z Z

9

Limites actuelles pour la recherche de nouveaux bosons de jauge neutres

Tevatron630

LEP350 - 680

Tevatron610 - 680

LEP4000Z’KK

LEP 500 - 860Z’LR

Z’ E6

ExpérienceLimite sur la masse (en GeV)

Production et détection de Z’ au LHC : Les limites existantes

( )llM GeV

1200 −=∫ Ldt pb

Limite ultime de DØ RUN II Exclusion jusqu’à ≈ 900 GeV

10

Étude sur des données simulées





5.Conclusion

Génération :• PYTHIA 6.2

Simulation complète du détecteur :• GEANT 3 (Data Challenge 1)

Sélection des événements :• 2 candidats électrons isolés de

|η|<2,5• pT > 50 GeV

5175001353121313211224000 GeV1500 GeVMasse

Z’KKZ’SSMZ’LRZ’ ηZ’ χZ’ψZ’SSM

( )-2 1cm sL −∫

Efficacité ≈ 34%

LHC haute luminosité ≈ 100 fb-1 / an

Électrons de 1 TeV

σ = 8. ± 0.8 GeV

σTheo ≈ 7 GeV

11

Étude sur des données simulées : La largeur de désintégration et la section efficace

Ajustement de la masse invariante avec la fonction :

La largeur de décroissance

( )( )

2 2

22 2 2 2DY li ll lnt C M

DYBW C M

l

l

l

l

a M

M M Meef aM −−Γ

− + Γ= × +

Modélisation de l’interférence DY-Z’ Modélisation du DY

Modélisation du pic de la résonance

distribution en masse invariante du Z’η à M=1500 GeV

Ajustement de la

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Masse et largeur de décroissance :

( ' )ll

llTot

Tot

Z llσ σ

Γ →= ×

Γ

TotΓDépend des canaux de décroissance

( ' )ll Tot Tot ll Z llσ σ×Γ = ×Γ →

Largeur totale de décroissance :

Section efficace leptonique :

Observable indépendante des canaux de décroissance exotiques

13

Section efficace et produit σll ΓTot :


Le produit σll ΓTot

l lN

Lσ

ε=

× ∫N est le nombre d’événements dans le pic

ε est l’efficacité de sélection

L∫ est la luminosité intégrée

L’observable σll ΓTot a un fort pouvoir discriminant

14

La rapidité du Z’SSM1 ln2

z

z

E PYE P

⎛ ⎞+= − ⎜ ⎟−⎝ ⎠

Étude sur des données simulées : Les rapports d’embranchement

Rapidity_u0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

'uu Z→

'SSMZY Rapidity_d0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1 'dd Z→

'SSMZY Rapidity_s0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16 'ss Z→

'SSMZY

15


'uu ZY → 'dd ZY →

1500 GeVM = 1500 GeVM =

Toutes les distributions sont compatibles

16

Rapidity_Tot0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

'SSMZY


' '' 'u uuZ s ss ZZ d dd Z PYY P YP Y →→→ × ×+ +×=

Décomposition de la distribution en rapidité :

et ,u d sPP P

Indépendant du modèle Dépendant du modèle

Couplages du Z’ aux quarksFonctions de distribution de partons

17


Les rapports d’embranchement

( )( )

( )( )

' '' '

αα

→ →= ×

→ →dd

uu

Br Z uu Nb uu ZBr Z dd Nb dd Z

Extrait via un ajustement de la rapidité du Z’avec une fonction de la forme :

Directement relié aux fonctions de distribution de partons

(( )) 1 d suf Y YY Yα β βα− − × +× ×= +

uP dP sP

( )( )

''

→=

→d

u

PNb uu ZNb dd Z

P ( )( )

''→

→

Br Z uuBr Z dd

18

0.330

0 0.

.67

0

0.0. 6

8

60 0d

u

s

P

PP = ±

= ±

= ±


Résultats pour les différents modèles :

Exemple du Z’η :

( ) 1.28 0.28( ) η

= ±Br uBr d

• L’observable Br(u)/Br(d) est bien mesurée• Précision moindre que celle obtenue pour la largeur • Elle possède un pouvoir discriminant important

19

Méthode de discrimination





5.Conclusion

• Combinaison de plusieurs observables (Largeur et rapport d’embranchement)

• Comparaison des valeurs obtenues par les ajustements avec les valeurs théoriques

• Estimation du paramètre des modèles (θ et κ)

20

Theta-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

θ

( )( )

Br uBr d

Méthode de discrimination : Estimation des paramètres des modèles théoriques

θ

Extraction du paramètre θ dans le cas d’un modèle E6

Vale

ur t

héor

ique

2σ±

2σ±

Vale

ur t

héor

ique

[ ]( ) 2 0 .57;1 .69( )

σ± =Br uBr d

[ ] [ ]0 .1; 0 .27 0 .55;1 .16θ ∈ − ∪

[ ]2 0 .0051; 0 .0067σΓ± =

M

[ ]0.3; 0 .7θ ∈ −

Exemple du modèle η (θ=0.66)

[ ] [ ]0 .1; 0 .27 0 .55; 0 .7θ ∈ − ∪

21

Méthode de discrimination : Estimation des paramètres des modèles théoriques

Résultat pour l’ensemble des modèles

• La valeur théorique appartient toujours à l’intervalle obtenu.• Potentiel de discrimination intéressant avec une statistique accessible au LHC.• Г et Br(u)/Br(d) sont complémentaires.

θ

κ

Z’ψ

Z’χ

Z’η

Z’χ

Z’LR

Pour le paramètre κ dans l’hypothèse d’un modèle LR :

Br(u)/Br(d)Г

Intersection

Légende :

Pas de solution en κ pour les Z’ψ, Z’χ.Pas de solution en θ pour le Z’LR.

Pour le paramètre θ dans l’hypothèse d’un modèle de E6 :

22

Conclusion





5.Conclusion

• Bonne reconstruction de la largeur de désintégration et du rapport de rapport d’embranchement Br(u)/Br(d) du Z’ .

• Il est possible d’extraire une valeur du paramètre du modèle àpartir de ces observables.

Bilan

• Combiner d’autres observables discriminantes (en particulier l’asymétrie avant arrière).

• Envisager des canaux de désintégrations rares du Z’.

• Étudier d’autres modèles de Z’.

Perspectives

23

24

DØ Run1630

DØ Run2680

DØ Run2640

DØ Run2650

DØ Run2780

LEP 14000Z’KK

LEP 1860Z’LR

CDF650Z’ η

CDF610Z’ χ

CDF625Z’ψ

CDF750Z’SSM

ExpérienceLimite sur la masse (en GeV)

25

26

Limites des modèles GUT

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Typical current limits

• Indirect limits from the precision measurement at LEP (assuming no Z-Z’ mixing ):– E6 : ~ 400-600 GeV (depends

on θΕ6).– LR : ~ 800GeV

• Direct limits from the search at Tevatron :– E6 : ~ 600-700 GeV (depends

on θΕ6). Best limits comes from run II !

– LR : ~ 600 GeV.

hep-ex/0412015

Moriond EW 2005

28

Discovery potential at colliders

• Very promising potential at Tevatron, LHC and NLC:– Already true with a reduced

LHC luminosity.• If a Z’ is discovered, the next step

will consist in determining the nature of the Z’ !

hep-ph/9504216

Atlas – Physics Perf. TDR

100 fb-1

Documents

Étude du processus Soutenance qq Z e e de stage de Master