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Le calorimètre électromagnétique dATLAS Recherche dune nouvelle physique au LHC Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie 1.

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1 Le calorimètre électromagnétique dATLAS Recherche dune nouvelle physique au LHC Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie 1

2 Pourquoi le LHC ? 2 Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP : m h > % CL Exclusion Tevatron : 162< m h < % CL Limite supérieure théorique : m h < 700 GeV (unitarité diffusion WW)

3 Pourquoi le LHC ? 3 Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP : m h > % CL Exclusion Tevatron : 162< m h < % CL Limite supérieure théorique : m h < 700 GeV (unitarité diffusion 14 TeV

4 Pourquoi le LHC ? 4 Le programme du LHC : 2010 : 2*3.5 TeV, jusquà 105 pb -1 par mois, total fb : 2*3.5 TeV, ~ 100 pb -1 par mois, total ~ 1 fb : Consolidation 2013 : 2*6.5 TeV à 25% de la luminosité nominale 2014 : 2*7 TeV à 50% de la luminosité 14 TeV

5 Pourquoi le LHC ? 14 TeV Collisionneur hadronique bruit de fond hadronique important signatures électromagnétiques h, h ZZ* 4e, h WW e e importance du calorimètre électromagnétique !

6 ATLAS 6 =-ln[tan( /2)] z x y 44 m 25 m

7 ATLAS 7 Détecteurs de traces (champ solénoïde de 2 T) p T /p T = 0.05% p T 1% pour | |<2.5

8 ATLAS 8 Calorimètres électromagnétiques et hadroniques e / : E /E = 10%/ E 0.7% pour | |<2.5 jets : E /E = 50%/ E 3% pour | |<3.2

9 ATLAS 9 Spectromètre à muons (champ toroïdale de 0.6 T) p T /p T = 10% p T à 1 TeV pour | |<2.7

10 ATLAS 10 Calorimètres argon liquide Calorimètres électromagnétiques tonneau et bouchons Calorimètre hadronique bouchon Calorimètre avant Le calorimètre hadronique tonneau (les Tuiles) nest pas « argon liquide »

11 Le calorimètre électromagnétique tonneau 11 Calorimètre à échantillonnage argon liquide (milieu sensible) + plomb (absorbeur) Géométrie accordéon avec segmentation latérale et en profondeur Couverture jusquà | |<1.4 (4.9 pour le calorimètre avant) Back Middle Front PS = pré- échantillonneur Tranche du calorimètre électromagnétique tonneau

12 RD3 Création de la collaboration RD3 début 1990 Naissance de laccordéonPremier prototype en juillet 1990 Tests des premiers prototypes 12

13 RD Construction du module de présérie 2001 Construction des modules de série Tests signal et haute tension Câblage Tests à chaud puis à froid Présérie Construction des modules de série 13 Aujourdhui en 2010 : 0 zones sans haute tension 0.02% de canaux morts sur le détecteur 2009 Facteur de correction haute tension Haute tension nominale Haute tension inferieure Haute tension sur un seul coté

14 Résolution sur lénergie des électrons et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN 2001 et modules de série testés en faisceau 2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs dATLAS RD3 Tests en faisceau Présérie Construction 14 Test combiné Excellent accord données /Monte-Carlo PSFRONT BACKMIDDLE Energie déposée selon la profondeur Calorimètre seul 2002

15 RD3 Tests en faisceau Présérie Construction 15 Test combiné Résolution en énergie (E)/E = 10.7± ±0.04 [%/ E(GeV)] [%] et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN 2001 et modules de série testés en faisceau 2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs dATLAS PSFRONT BACKMIDDLE Energie déposée selon la profondeur Excellent accord données /Monte-Carlo Correction de la matière en avant du détecteur Résolution comparable au détecteur seul Calorimètre + matière morte

16 RD3 Tests en faisceau Présérie Construction 16 Test combiné Résolution en énergie et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN 2001 et modules de série testés en faisceau 2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs dATLAS Excellent accord données /Monte-Carlo Correction de la matière en avant du détecteur Résolution comparable au détecteur seul Calorimètre + matière morte (E)/E = 10.7± ±0.04 [%/ E(GeV)] [%]

17 RD3Présérie Construction Installation 2003 Insertion dans le cryostat 2004 Descente dans le puits Electronique de traitement 192 cartes de traitement *8 DSP pour lensemble de largon liquide 170k canaux traités en < 10 s Energie reconstruite à ±0.3 MeV jusquà 8 GeV Temps reconstruit à ± 7 ps (par rapport aux calculs hors ligne) (et ce dès le démarrage dATLAS)

18 RD3Présérie Construction Installation Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre électromagnétique ! Données cosmiques tests faisceaux 0,44% GeV 18 Non-uniformité de la réponse du calorimètre Module P muons cosmiques dans les calorimètres <2%

19 RD3Présérie Construction Installation Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre électromagnétique ! Données cosmiques tests faisceaux 0,44% GeV 19 Module P muons cosmiques dans ATLAS <1% Non-uniformité de la réponse du calorimètre

20 RD3Présérie Construction Installation LHC 10 septembre 2008 : Premier faisceau ! 23 novembre 2009 : Premières collisions ! Cosmiques 20 Performances en résolution, linéarité et uniformité du calorimètre seul connues Très bon accord données/MC sur les formes de gerbes par compartiment Description de la matière dans le MC Performances du même niveau dans ATLAS 0

21 RD3Présérie Construction Installation LHC Energie manquante dans les collisions sur des données de biais minimum Cosmiques 21 Le calorimètre électromagnétique est aussi un élément essentiel dans la reconstruction de lénergie des jets et de lénergie transverse manquante

22 Pourquoi une nouvelle physique ? La correction à la masse du Higgs est de lordre de léchelle de coupure de la théorie Problème de hiérarchie du Modèle Standard Or : m h ~ 100 GeV et au LHC, > TeV 22 Problème de la masse du Higgs dans le Modèle Standard h h h h h Solutions : 1.Absorber divergences dans m h,0. Réglage fin (non naturel) 2.Nouvelle théorie : Nouvelles particules compensant les divergences. Ex : Supersymétrie = 0 Corrections radiatives m :

23 La supersymétrie (SUSY) Supersymétrie = symétrie entre fermions et bosons À chaque particule du Modèle Standard est associée un partenaire supersymétrique identique, sauf spin ±1/2 u sup c scharm t stop d sdown s sstrange b sbottom sneutrino electron stau smuon selectron sneutrino tau sneutrino muon g gluinos chargino neutralino Bosons Fermions Squarks Sleptons Electroweak Strong e e u up c charm t top d down s strange b bottom e neutrino electron tau muon electron neutrino tau neutrino muon g gluons W boson W Z boson Z photon h Higgs Fermions Bosons Quarks Leptons Electroweak Strong e Motivations théoriques La masse du Higgs est stabilisée en évitant un réglage fin Unification possible des constantes de couplage à grande échelle Particules supersymétriques Non encore observées Masses différentes des particules du Modèle Standard La supersymétrie est donc brisée. Mais m(SUSY) < 1 TeV pour pouvoir compenser les divergences 23 H ± Higgs A Higgs H Higgs Modèle Standard Modèle Standard Supersymétrique Minimal 2 doublets de Higgs chargino neutralino neutralino SUSY Visible au LHC !

24 Les modèles supersymétriques MSSM = Modèle Standard Supersymétrique Minimal Le MSSM contraint (CMSSM) Hypothèses dunification à grande échelle (GUT) Supersymétrie brisée Exemple : couplage gravitationnel, mSUGRA 5 paramètres : m 0, m 1/2, A 0, tan et signe de Le MSSM phénoménologique Pas da priori sur le comportement à grande échelle 105 paramètres… + ceux du MS Réductible à ~20 (sans CP, FCNC, …) m 0 : masse unifiée des scalaires m 1/2 : masse unifiée des gauginos A 0 : couplage trilinéaire unifié tan : rapport des vav des 2 doublets de Higgs : paramètre de masse des higgsinos TeVGUT 24 équations dévolution

25 Découvrir la supersymétrie au LHC Création de paires squarks, gluinos Désintégrations en cascades jusquà la LSP (Particule SUSY la plus légère stable) l q q l g ~ q ~ l ~ ~ ~ pp 25 Signature expérimentale remarquable : jets + E T + (leptons) Productions de particules SUSY au LHC ~ 1 pb découverte possible au LHC à partir d1 fb -1 m 0 =100 m 1/2 =300 A 0 =-300 tan =6 sgn 14 TeV

26 Observables supersymétriques au LHC 26 À partir des cascades reconstructions de seuils cinématiques en fonction des masses l q q l g ~ q ~ l ~ ~ ~ pp = (80.94 ± ± 0.08) GeV e + e -, + - e + -, + e -

27 Un point de référence : SPS1a m 0 =100, m 1/2 =250, A 0 =-100, tan =10, sgn >0 SPS1a : un point mSUGRA de référence, étudié depuis 9 ans Mesure principale, seuil di-leptonique : Sélection de 15 observables au LHC pour 300 fb 14 TeV LES : incertitude sur léchelle dénergie des leptons (0.1%) JES: incertitude sur léchelle dénergie des jets (~1%) Déterminer le modèle sous-jacent SFitter

28 Mesurer la supersymétrie : SFitter SFitter : Les Houches 2003, R. Lafaye, T. Plehn, M. Rauch, D. Zerwas 28 ObservablesPrédictions Modèle théorique SUSPECT, SUSYHIT, micrOMEGAs,… spectre de masse, BR SUSY+Higgs, densité relique, … Liste des maximums de vraisemblance Carte de vraisemblance en fonction des paramètres du modèle et des prédictions des observables Calcul de vraisemblance en fonction des paramètres du modèle Balayage de lespace des paramètres Chaines de Markov + MINUIT Traitement des incertitudes Schéma RFit (à la CKMfitter) Résultats Techniques

29 Les chaînes de Markov 29 Modèles théoriques de plus de 20 paramètres Balayage de type grille très inefficace dépend de (nombre de pas) nombre de paramètres Méthodes de type Monte Carlo préférables dépend de la complexité du potentiel Chaines de Markov : Le point n+1 dépend de la valeur des potentiel (~1/vraisemblance) V n+1 et V n La densité de points testés est fonction de V A priori indépendant du nombre de paramètres Exemple de résultats : Liste ordonnée des minimums de V valeur du paramètre V Carte du minimum de V (sur tous les paramètres-2) en fonction de 2 paramètres V: potentiel ~ 1/vraisemblance Point candidat n+1 choisit si : soit V n+1 V n :

30 Traitement des incertitudes 30 RFit : A. Höcker, H. Lacker, S. Laplace, F. Lediberder Incertitudes théoriques = aucune information dans la zone théorique permise distribution plate et de limites finies « Une erreur théorique ne peut pas être arbitrairement grande si la théorie est perturbative ! » En dehors de la zone prédite la vraisemblance est décrite par les incertitudes expérimentales L max x exp -x th L max Incertitude expérimentale seuleavec incertitude théorique zone prédite

31 Extraction des paramètres SPS1a pour le CMSSM SPS1aΔexp seuils Δexp+th seuils m0m m 1/ tanβ A0A Sign(μ) fixed 31 Ajustement avec MINUIT autour du maximum principal Carte du maximum de vraisemblance en m 0, m 1/2 Liste des maximums de vraisemblance LHC 300fb 14 TeV Bonne détermination des paramètres, mais : hypothèse dunification à une échelle non explorée !

32 Extraction des paramètres du MSSM au TeV 32 Espace de 19 paramètres 16 solutions de vraisemblance équivalente Solutions permutées en M 1, M 2, M 3 et (paramètres de masse des gauginos et higgsinos) Peu de sensibilité sur tan 2 tan = 4.5 (exp+th) L max Carte du maximum de vraisemblance en M 1, M 2

33 MSSM : depuis le TeV jusquà eV 33 Départ : paramètres déterminés à léchelle du TeV Equations dévolution à plus haute énergie J.L. Kneur + SFitter Largeur des bandes = incertitudes Solution 1 compatible avec unification Autres solutions : pas dunification « SPS1a » Inversion M 1, M 2 Hiérarchie correcte au TeV ! 1/M M 1 : binos, M 2 : winos, M 3 : gluinos équations dévolution

34 SUSY au LHC, mais pas seulement (Alexander, Kreiss, Lafaye, Plehn, Rauch, Zerwas; Les Houches 2007, Physics at TeV Colliders) 34 Moment magnétique anomal du muon Anomalie mesurée par E821 (BNL) : Prédiction du Modèle Standard : Plus de 2 décart (selon les prédictions) Si SUSY est découverte au LHC : La déviation de g-2 est elle compatible ? g-2 tan et sign Ajustement global E821 + LHC tan = 2.0 au lieu de 4.5

35 LHC 300 fb -1 (SFitter) New g-2 Hawaii Octobre 2009 : « The New Muon (g-2) Experiment at Fermilab » Dinko Pocanic Old g-2 35 SUSY au LHC et au FNAL aussi… Avec le soutien de SFitter …


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