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DES HAUTES TENSIONS AU SGLUON Recherche de Nouvelle Physique avec ATLAS Loïc VALERY LPC – Clermont Ferrand Séminaire Deuxième Année Vendredi.

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1 DES HAUTES TENSIONS AU SGLUON Recherche de Nouvelle Physique avec ATLAS Loïc VALERY LPC – Clermont Ferrand Séminaire Deuxième Année Vendredi 27 Septembre 2013

2 Programme Contextes Suivi des hautes tensions du calorimètre hadronique dATLAS Recherche de Nouvelle Physique Etude du potentiel de découverte du sgluon dans ATLAS Recherche du sgluon dans lexpérience ATLAS Recherche de Nouvelle Physique 2 Séminaire deuxième année

3 CONTEXTES Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 3

4 Modèle Standard Théorie éprouvée et confirmée expérimentalement Dernière confirmation en date par ATLAS et CMS : Découverte dun boson de Higgs Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 4 Contenu en particules 6 quarks 6 leptons 4 bosons de jauge 1 boson de Higgs Quark top Grande masse (~172 GeV)

5 Le quark top Pas dhadronisation : il se désintègre Désintégration selon t Wb Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 5 ~ 100 % 33 % 67 % Grande masse : couplage important avec des particules prédites dans certaines théories au-delà du Modèle Standard. Il sera notre sonde pour étudier de telles théories Pourquoi aller au-delà du Modèle Standard ?

6 Au-delà du Modèle Standard : la Nouvelle Physique Modèle Standard : quelques limitations ou lacunes Gravitation non décrite Matière noire non prédite … Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 6 Parmi ces théories, une étudiée ici : la supersymétrie Théories testées auprès daccélérateurs et de détecteurs Plusieurs théories alternatives proposent détendre ou de remplacer le Modèle Standard

7 Le Large Hadron Collider : LHC Anneau (27 km de circonférence) Dernier accélérateur dun complexe Collisions proton-proton à une énergie de 8 TeV Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 7 4 grands détecteurs ALICE ATLAS CMS LHCb Etudes faites dans le cadre dATLAS

8 A Toroidal LHC Apparatus : ATLAS Détecteur généraliste, ~ 4π sr Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 8 Plusieurs sous-détecteurs Plan transverse : perpendiculaire au faisceau 22 mètres 45 mètres z y x η

9 Le calorimètre hadronique à tuiles (TileCal) Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 9 Alternance de fer et de tuiles de plastique scintillantes Interaction des particules avec le détecteur : émission de lumière Total de 9852 photomultiplicateurs Chaque PMT alimenté par une haute tension spécifique Divisé en 256 modules : chacun peut contenir 48 photomultiplicateurs Objectif : mesure de lénergie des hadrons (jets)

10 SUIVI DES HAUTES TENSIONS DU CALORIMETRE HADRONIQUE DATLAS Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 10

11 Système de Hautes Tensions (HT) Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 11 Chaque module est alimenté par une même source HV in Ajustement à la valeur souhaitée (HV set ) par la boucle de régulation Valeur régulée (HV out ) enregistrée dans une base de données (DCS)

12 Enjeux du système de hautes tensions Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 12 Gain dun PMT dépendant de HV out avec et des paramètres intrinsèques du PMT (mesurés) ~ ~ 7 Conséquence Mesure constante de lénergie Gain constant des PMT Hautes tensions constantes au cours du temps

13 Comportements problématiques du système de HT Deux principaux comportements : Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 13 ΔHV = HV out – HV set constant ΔHV variable au cours du temps EBC30 PMT 14 EBC64 PMT30 Comportement le plus problématique : HT instables. Suivi réalisé en 2012 pendant les collisions proton-proton Haute tension appliquée : 750 V en moyenne EBA01 PMT02

14 Détection des canaux problématiques Distribution de ΔHV tracée pour chaque canal du TileCal Ajusté par une gaussienne Paramètres μ i (moyenne) et σ i (écart-type) calculés Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 14 Distribution des μ i de tous les canaux dune partition tracée puis ajustée: paramètres μ part (moyenne) et σ part Canal déclaré problématique si |μ i -μ part | > 5 σ part σ i > 0.5 V ou Seule la distribution est utilisée … pas lévolution !

15 Détection des canaux instables Utilisation de lévolution de ΔHV en fonction du temps Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 15 1 point Moyenne de ΔHV sur 1 jour Valeur de μ i ΔHV = μ i V Canal déclaré instable si plus de 5 points sont à plus de 0.5 V de μ i

16 Résultats Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 16 Tous les canaux sont analysés par les deux critères : Forme de la distribution de ΔHV Evolution de ΔHV = f(t) Etat des canaux de hautes tensions le dernier jour des collisions p-Pb (Février 2013) Canaux passant les deux critères ΔHV trop important Instable Canaux éteints

17 Comparaison avec les systèmes détalonnage Parfois, mauvaise lecture des hautes tensions … Possible de vérifier ce fait ! Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 17 Plusieurs systèmes utilisés : LASER : lumière LASER émise dans les PMTs (via fibres optiques) Gain des PMT mesuré par dautres méthodes Césium : émission de γ par une source radioactive (dépôt dénergie dans les tuiles). Beaucoup plus de détails dans le prochain séminaire par Emmanuelle ! Pourquoi comparer ? Hautes tensions vraiment instables Evolution du gain identique pour les HT et les systèmes détalonnage Fausse instabilité Evolution du gain différente pour les HT et les systèmes détalonnage

18 Comparaison avec les systèmes détalonnage Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 18 Gain du PMT mesuré par le LASER et le Césium compatible avec les HT Canal réellement instable HV out value

19 Comparaison avec les systèmes détalonnage Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 19 HT : augmentation du gain LASER et Césium : gain stable Fausse instabilité

20 Résumé de lanalyse Sur 9852 canaux dans le TileCal 60 problématiques, soit 6 des canaux dont 7 vraiment instables, soit moins de 1 des canaux et 8 présentant un problème de lecture Problèmes de lecture Probablement une résistance haute tension défaillante dans la lecture Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 20 Excellentes performances du calorimètre hadronique dATLAS

21 RECHERCHE DE NOUVELLE PHYSIQUE AVEC ATLAS: LE SGLUON Du potentiel de découverte aux données dATLAS Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 21

22 Recherche directe de Nouvelle Physique Démarche suivie Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 22 Etude du potentiel de découverte Etude avec les données dATLAS Etude de la théorie Motivations de la théorie Etats finaux attendus Modèle effectif simplifié Simulation simplifiée de détecteur, analyse simple Extraction de limites attendues Choix dune signature Optimisation de la sélection Comparaison avec les données

23 Supersymétrie et sgluon Plusieurs théories au-delà du Modèle Standard Parmi lesquelles : la supersymétrie Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 23 Modèles minimaux : chaque particule du Modèle Standard associée à un super-partenaire g g ~ gluongluino Spin 1 Spin 1/2 Potentiel problème : la violation de saveur peut être plus grande que celle observée expérimentalement Modèles plus complexes peuvent résoudre ce problème g g ~ gluongluino Spin 1 Spin 1/2 σ sgluon Spin 0 Potentiel de découverteATLAS Théorie

24 Propriétés du sgluon Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 24 Potentiel de découverteATLAS Théorie sgluons préférentiellement produits par paire production célibataire défavorisée par des boucles de squarks et/ou gluinos Désintégration dépend de la masse des particules filles désintégrations favorisées : au moins un quark top soit : tt, tc, tu Topologie tjtjTopologie tjttTopologie tttt

25 Modèle effectif Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 25 Potentiel de découverteATLAS Théorie « Sgluons » aussi dans dautres modèles (dimensions supplémentaires, théories vectorlike) Nécessaire détudier le sgluon indépendamment dun modèle complet Modèle effectif simplifié Modèle conçu en étendant a minima le Modèle Standard : Un seul champ ajouté (le sgluon) Interactions inspirées de la supersymétrie (couplage préférentiel au quark top) Deux scénarios tt, tc et tu mêmes couplages tt uniquement [Calvet, Gris, Fuks, Valéry, JHEP(2013)]

26 Signal et bruits de fond Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 26 Signature très claire Très rare dans le cadre du Modèle Standard Très rare … mais pas impossible : bruits de fond Potentiel de découverteATLAS Théorie Etat final avec deux leptons de même charge électrique possible Principaux bruits de fond W + jetstt Z + jetsDibosons Bruits de fond modélisés par Monte Carlo : limite de lanalyse Simulation de linteraction des particules avec un détecteur Simulation simplifiée avec le logiciel Delphes2 Reconstruction dobjets physiques: électrons, muons, jets, énergie transverse manquante (E T miss )…

27 Etat finalSélection 2 leptons de même signe 2 leptons de même signe (e, μ) 2 neutrinos MET > 40 GeV et M T (W) > 40 GeV 4 jets 3 jets 2 jets de b 1 jet étiqueté b Sélection des événements Objectif :sélectionner les événements de signal et rejeter les événements de bruit de fond Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 27 Potentiel de découverteATLAS Théorie Méthode plus simple : Basée sur létat final attendu Une sélection par topologie de signal : 3 analyses distinctes Exemple : topologie tjtj

28 Résultats Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 28 Analyse tjtjAnalyse tjttAnalyse tttt 2 leptons de même signe MET > 40 GeV 3 jets p T > 25 GeV 1 jet étiqueté b 2 leptons de même signe MET > 40 GeV 4 jets p T > 25 GeV 2 jets étiquetés b 2 leptons de même signe MET > 40 GeV 5 jets p T > 25 GeV 3 jets étiquetés b Nombre dévénements Signal avec couplages identiques σ(400 GeV) : 281 ± 11 σ(800 GeV) : 1.06 ± 0.14 Bruits de fond : 4191± 15 Nombre dévénements Signal avec couplages identiques σ(400 GeV) : 36± 4 σ(800 GeV) : 0.77 ± 0.07 Bruits de fond : 286± 8 Nombre dévénements Signal avec couplages identiques σ(400GeV) : 0.69± 0.08 Signal avec couplage au quark top σ(800 GeV) : 0.82± 0.07 Bruits de fond : 10.3± 1.5 Potentiel de découverteATLAS Théorie

29 Limites Potentiel de découverte : limite attendue Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 29 Section efficace : probabilité doccurrence dun processus Limite : section efficace au-delà de laquelle le signal devient visible malgré le bruit de fond (et les incertitudes). Potentiel de découverteATLAS Théorie Nouvelle Physique Pas de Nouvelle Physique Grande section efficace du signalSi Nouvelle Physique : VISIBLE

30 Limites Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 30 Potentiel de découverteATLAS Théorie Nouvelle Physique Pas de Nouvelle Physique Petite section efficace du signal Impossible de discerner les deux cas … Potentiel de découverte : limite attendue Section efficace : probabilité doccurrence dun processus Limite : section efficace au-delà de laquelle le signal devient visible malgré le bruit de fond (et les incertitudes).

31 Limites Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 31 Section efficace théorique Limite Limite en masse pour lanalyse tjtj Analyse dans ATLAS : 10 x plus de bruit de fond que prédit par MC Faux leptons, mauvaise identification des charges électriques Limite recalculée dans cette hypothèse Potentiel de découverteATLAS Théorie Limite : bruit de fond x 10

32 Limites Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 32 Potentiel de découverteATLAS Théorie Analyse tttt Analyse tjtt Analyse tjtj Topologie la plus prometteuse : tttt Avec désintégration privilégiée en tt

33 Choix de la signature Etude de prospective : topologie tttt avec deux leptons de même signe accessible Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 33 Potentiel de découverteATLAS Théorie Analyse portée dans ATLAS : améliorations attendues prise en compte de lempilement des collisions (pile-up) isolation des leptons correctement prise en compte certains bruits de fond déterminés à partir des données Uniquement cas où σ tt

34 WZtt + Z ZZtt + W WWtt + WW Bruits de fond Deux types de bruits de fond : Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 34 bruits de fond avec leptons de même signe : simulation MC autres bruits de fond : à partir des données bruits de fond avec leptons provenant de : bruits de fond avec deux leptons mais erreur sur la charge électrique de lun : désintégrations semi-leptoniques de mésons beaux conversion de photons … essentiellement par un fort bremsstrahlung négligeable pour les muons (10 7 fois plus rare que pour les électrons) Potentiel de découverteATLAS Théorie

35 Sélection Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 35 Variables supplémentaires pour la sélection : Sélection minimale : Critères de qualités divers 2 leptons de même charge électrique M( l 1, l 2 ) > 15 GeV et | M( l 1, l 2 ) - M Z | > 10 GeV (canaux ee et μμ) Potentiel de découverteATLAS Théorie N jets Nombre de jets N b-jets Nombre de jets étiquetés b E T miss Energie transverse manquante H T Somme des impulsions transverses leptons et jets 3 catégories ee, eμ et μμ (selon le type de leptons) 3 catégories ee, eμ et μμ (selon le type de leptons)

36 Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 36 Variables Distributions différentes pour le signal et les bruits de fond : variables discriminantes N jets E t miss [GeV] H T [GeV] N b-jets

37 Optimisation de la sélection Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 37 Choix final : Plusieurs combinaisons de sélections sur H T, N jets, N b-jets, E T miss N jets 2, N b-jets 2, E T miss > 40 GeV, H T > 650 GeV Basée sur la limite attendue en masse Choix : plus grande limite attendue en masse E t miss 40 GeV

38 Résultats Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 38 Nombre dévénements attendus Nombre dévénements observés Observations en accord les attentes Pas dexcès significatif On interprète en terme de limite observée [ATLAS-CONF ]

39 Limites Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 39 Limite attendue : ~820 GeV Limite observée: 800 GeV

40 Conclusions Système de régulation des hautes tensions Critères efficaces : possible de détecter les dysfonctionnements Excellentes performances du système (moins de 1 de canaux instables) Recherche de Nouvelle Physique Analyse phénoménologique : ATLAS sensible au sgluon Recherche dans ATLAS : nombreuses améliorations Modélisation des bruits de fond Prise en compte des incertitudes systématiques … Pas dexcès significatif : limite observée de 800 GeV Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 40

41 Et après ? Système de régulation des hautes tensions Travail en cours sur le suivi des réparations Recherche de Sgluon dans ATLAS Publication en fin dannée Analyse plus raffinée : Optimisation faite canal par canal Utilisation doutils multivariables en cours détude Optimisation du calcul de limite Mais aussi: Recherche de résonances top-antitop : publication en fin dannée Raffinement de la réjection de leffet dempilement Séminaire deuxième annéeRecherche de Nouvelle Physique 41


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