Mise en œuvre du calorimètre électromagnétique d’ATLAS et
recherche de nouvelle physique
Pierre-Simon MANGEARD
15 juin 2007
Directeur de thèse : Sylvain Tisserant/Fabrice Hubaut
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Nouvelle physique au LHC
• LHC : Ouverture de l’espace des phases
• Utiliser les électrons comme sondes pour la nouvelle physique.
Tevatron 95% C.L.
Maîtrise du calorimètre électromagnétique essentielle
ProcessusTevatron 1987
(0.07pb-1)Tevatron 2009
(8fb-1)LHC 2009
(1fb-1)
Z’ 1TeV << 1 evt < 10 evts 10000 evts
3
=0 =1.4
=3.2
=4.9
Le Calorimètre électromagnétique d’ATLAS
Calorimètre électromagnétique :Grande couverture angulaire ||<4.9
1999-2002 : Tests faisceaux 2001-2004 : ConstructionDepuis 2004 : Installation et mise en route dans la caverne
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Le Calorimètre Electromagnétique
• Géométrie en accordéon- herméticité azimuthale quasi-parfaite
• Grande granularité via une segmentation
longitudinale et transverse
• Calorimètre à échantillonnage plomb / argon liquide (90K)
PS pertes en amont
S1 0.0030.1 mesures de position
S2 0.0250.025 dépôt d’énergie principal
S3 0.050.025 queues de haute énergie
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La préparation au démarrage
• Les atouts– Le calo EM est l’un des sous-détecteurs les plus
testés sous faisceaux– Cette expertise est présente au CPPM
• Les Challenges– 175000 canaux – Mettre en place la procédure de calibration et de
reconstruction du signal
Fonctionnement in situ avec les muons cosmiques
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Prises de données
1 2
3 4
A
B
)41(
Z
Août 2006 (13k evts)
• LAr HV = 2000 V
Octobre 2006 (78k evts)• LAr HV = 1600 V
• Pas HV dans I14
• Runs combinés CaloEM/Had (pas de chambres à muons)
• Le déclenchement est réalisé à l’aide du calo Had.
• Calo en cours d’installation : seulement quelques modules disponibles avec l’électronique finale
Acceptance augmentée 2007
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17 MeV
f(x)=p0 + p2*exp(p1*N)
La réduction du bruit est INDISPENSABLE
L’utilisation d’un plus grand nombre d’échantillons dans la reconstruction permet de diminuer le bruit.
signal de physique
signal mis en forme et échantillonné
Un muon projectif dépose très peu d’énergie : 200-300 MeV Faible S/B
N échantillons
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Reconstruction de l’énergie des muons
Création d’amas de cellules de S2 avec un seuil haut (bas) à au moins 5 (3) au dessus du bruit.
La réduction du bruit à 17 MeV Les seuils : 100 et 50 MeV Bonnes pureté et efficacité
Muons projectifs :– 2 cellules contiguës en phi (du à la
géométrie en accordéon) (Amas 1)
Les muons cosmiques ne sont pas projectifs : – cellules contiguës en phi et/ou en eta
(Amas2)
Energie déposée en MeV dans les cellules de S2
12 62 35 10 17 42
67 187 20 5 19 14
53 8 14 17 25 16
19 15 12 45 90 32
11 14 18 16 202 13
19 13 17 10 25 19
12 62 35 10 17 42
67 187 20 5 19 14
53 8 14 17 25 16
19 15 12 45 90 32
11 14 18 16 202 13
19 13 17 10 25 19
12 62 35 10 17 42
67 187 20 5 19 14
53 8 14 17 25 16
19 15 12 45 90 32
11 14 18 16 202 13
19 13 17 10 25 19
12 62 35 10 17 42
67 187 20 5 19 14
53 8 14 17 25 16
19 15 12 45 90 32
11 14 18 16 202 13
19 13 17 10 25 19
Amas 1
Amas 2
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LES MUONSA partir de 91000 evts :
2006 : 6% du tonneau sont scannés
~25000 candidats muons
Nombre d’amas par cellule de S2
L’information du calo. had. est utilisée comme référence afin d’estimer les caractéristiques du lot de muons
• Pureté :Je compare les candidats muons avec la trace reconstruite dans le calo. had. :
AvectileLAr et tileLAr
Sans coupure P=96% Avec coupure P~100% (=98%)
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Cellules mortes
HAUT BAS
Dans la région avec assez de stat. : une cellule morte dans S2
Impulsion de calibration : 0.02% de cellules mortes
Premiers signaux de physique in situ
Nombre d’amas par cellule de S2
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L’uniformité du calorimètre EM (1)
• Projectivité :
– Soit (X0,Z0) l’intersection entre la trace reconstruite à l’aide du calo. Had. et le plan horizontal à Y=0.
– Coupure en projectivité :
(|X0|,|Z0|)<(30cm,30cm)
L’énergie déposée par le muon est proportionnelle à la distance traversée
Électrode du tonneau=0.8
=0
Sélectionner les muons projectifs est nécessaire
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L’uniformité du calorimètre EM (2)
ηNor
mal
ized
M
PV
(|X0|,|Z0|) < 30x30 cm²
~9200 dépôts projectifs
TOP BOTTOM
S2 cell depthdata
normalized to 1
Vérifiée < à 1% en test faisceaux
Première vérification in situ à 4%
Besoin en moyenne de 16 fois plus de statistique pour vérifier la non-uniformité à 1%
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Conclusions - Perspectives• Ma thèse a pour objectif d’utiliser au mieux les premières collisions du LHC au sein de l’expérience ATLAS (été 2008)
• Dans ce cadre, je participe à la mise en œuvre du calorimètre électromagnétique via l’étude des données de muons cosmiques prises à l’automne 2006 (note interne ATLAS en cours d’écriture)
• Celle-ci a permis :
La mise en place d’outils de reconstruction
La réduction du bruit par un facteur 3
La recherche de cellules mortes (indication d’une cellule dans S2)
Première vérification in situ à 4% de l’uniformité
• Sensibilité rapide à la nouvelle physique :
Sonder ce nouvel espace des phases dès le démarrage via les électrons
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(Situation dans la caverne à l’automne 2006)
La partie centrale :
• Trajectographe interne sauf pixels
• Aimants solenoïde et toroïdes
• Calo. Hadronique
• Calo. EM : refroidi et rempli
• Chambres à muons en pleine installation
Les bouchons :
• Calo Hadronique
• Calo. EM : chaud
• La 1ère grande roue des chambres à muons en installation
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Purity of the sample (1)• All clusters are not necessarily due to muons
• Tile calorimeter information can be used to estimate the purity.
dedicated cosmic reconstruction algorithm to find a muon track: TileMuonFitter (Jose Maneira)
(Xo,Zo)Y=0
4m
- 4m
η=0.8
η cell center
η=0 η=0.4
– Cell energy threshold : 100 MeV
– TileCells in top AND bottom: long lever arm
– Fit track that minimizes sum of orthogonal distances to cells weighted by energy density
– Track crosses horizontal plane at (Xo,Zo)
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Purity of the sample (2)
• We define : tileLArand tileLAr
TILE/LAR MATCHING
Signal Region: (||,||)<(0.11,0.11)
Noise region : (||,||)>(0.2,0.2)
• Centered around zero : Well aligned
• Resolution dominated by tile granularity
Purity = (Nclus -Nnoise*)/Nclus
* Number normalized at the signal region surface
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Signal Region
Purity of the sample (3)
• If no matching with tile :
P=96%
• Matching with tile :
Purity close to 100% in signal region
Selection decreases the efficiency from 23% to 19%
Can extract a very pure muon sample
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Projectivity of the sample (1)• Due to setup : muons are not projective
• To estimate projectivity of muons, (X0,Z0) from tile track is used
• Can see the tile granularity in phi
• All muons are in +/- 1m around the interaction point
(Xo,Zo)Y=0
4m
- 4m
η=0.8
η cell center
η=0 η=0.4
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Projectivity of the sample (2)In order to estimate (X0,Z0) precision :
• Use events with 2 LAr matching clusters (top & bottom) : ~3k evts
• Extrapolate a « LAr crosspoint » at Y=0.
• Define X0 = X0tile-X0LAr and Z0=Z0tile-Z0LAr
Distribution centered around zero : good alignement
Precision of 5-6 cm
Can extract a projective muon sample
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Detect dead cells in S1
Map of Noise1. Homogen noise over whole
module : ~7.5 MeV
2. Cut at 4σ on the pointed S1 cells
3. Expect only 3 hits from noise over the 11k events
• S/N in S1 less favorable Use all muons (11200) reconstructed in S2 cells
Look at energy in the 8 S1 cells in front of the muon cluster
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We do see muons in S1 over almost the whole module (<0.8)
η
Most populated region
Detect dead cells in S1 (2) Entries per S1 cell
In most populated region (30%), can even infer 1 (and only one) dead strip, not seen in calibration…