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Ursula Bassler1soutenance d'habilitation 28/11/2003 Aspects de la physique hadronique: de la structure du proton au quark top …en passant par les calorimètres.

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1 Ursula Bassler1soutenance d'habilitation 28/11/2003 Aspects de la physique hadronique: de la structure du proton au quark top …en passant par les calorimètres

2 Ursula Bassler2soutenance d'habilitation 28/11/2003 Curriculum Scientifique : thèse de doctorat, Université Paris VI : mesure de F 2 sur les données : qualification du SpaCal : mesure de F 2 sur les données : mesure de F 2 à bas Q 2, données : mesure des sections efficaces à grand Q 2, données : adhésion à la collaboration DØ : installation du système de calibration en-ligne : co-responsable de la qualification du calorimètre : co-responsable du groupe "identification des électrons" : co-responsable de l'ensemble "algorithmes calorimétriques" : membre de l'"Advisory Council" de DØ : membre du Conseil Scientifique du LPNHE : membre du comité d'évaluation CVI de lINFN : responsable des "réunions du vendredi" du LPNHE 1999: co-ordinatrice de la session "fonctions de structure" à DIS : co-responsable du groupe DØ du LPNHE 2000: co-organisatrice des "Journées Jeunes Chercheurs 2000" 2003: organisatrice de la Biennale 2003 du LPNHE H1 DØDØ autres comités

3 Ursula Bassler3soutenance d'habilitation 28/11/2003 Encadrements stages et thèses

4 Ursula Bassler4soutenance d'habilitation 28/11/2003 Plan de lexposé Motivations: ingrédients pour la physique au collisionneurs hadroniques La calorimétrie de DØ: qualification du calorimètre calibration en-ligne algorithmes de reconstruction Les mesures des fonctions de structure de H1: reconstruction cinématique principaux résultats Conclusions et prospective: la physique du top

5 Ursula Bassler5soutenance d'habilitation 28/11/2003 Motivations à condition de: maîtriser l'état initial et final: connaissance des densités de partons modélisation de l'état final hadronique calculs des sections efficaces aux ordres supérieurs modéliser les bruits de fonds: comprendre les bruits détecteur et accélérateur connaissances des interactions "molles" évaluer la contribution des processus avec les mêmes signatures expérimentales comprendre les performances du détecteur: calibrations, en particulier des jets efficacités de reconstruction Les collisionneurs hadroniques permettent d'explorer les interactions des particules aux plus hautes énergies:

6 Ursula Bassler6soutenance d'habilitation 28/11/2003 Tevatron HERA et LHC les expériences de HERA permettent: d'étendre le domaine cinématique mesuré des densités de partons (pdf) de confirmer la validité de l'évolution des pdf par la QCD perturbative (équations de DGLAP) de déterminer le comportement de la densité de gluons à petit x de contraindre la région à grand x dans le domaine perturbatif d'améliorer la modélisation de l'état final hadronique

7 Ursula Bassler7soutenance d'habilitation 28/11/2003 Tevatron et LHC Les expériences du Tevatron permettent: de vérifier les prédictions QCD dans un environnement hadronique de contraindre d'avantage les paramètres électrofaibles, en particulier pour la recherche du Higgs d'étudier les propriétés du quark top, un des bruits de fond majeur du LHC d'affiner des algorithmes de reconstruction et des techniques d'analyse, bien que pour des expériences à plus petit échelle de démarrer des détecteurs pour la dernière fois avant le LHC

8 Ursula Bassler8soutenance d'habilitation 28/11/2003 Tevatron – Run II 2000 : mise en service du "Main Injector" (tests + cible fixe) 2001: installation des expériences, début du Run II en avril opération du Tevatron en mode à 980 GeV / faisceau luminosité maximale atteinte: cm -2 s -1 luminosité intégrée: 210pb -1 Main Injector (new) Tevatron DØCDF Chicago p source Booster projections de luminosité: de 4 à 9 fb -1 en 2009

9 Ursula Bassler9soutenance d'habilitation 28/11/2003 Le détecteur du Run II Nouveau Système de mesure des traces: solénoïde, Silicium, Fibres Scintillantes, pied de gerbes Calorimètre: Nouvelle Électronique, Trigger, DAQ Blindage Mesure des : MDT, PDT, scintillateur

10 Ursula Bassler10soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calorimètre – nouvelle électronique canaux Ur/Argon liquide améliorations pour le Run II: remplacement de l'électronique afin d'accommoder un temps dinteraction de 132 ns 55k dual FET PreAmps 23k Switch Capacitor Arrays (SCA) avec 8M cellules de stockage sur 1200 BaseLineSubtraction (BLS)-boards ~ 50 mauvais canaux (~0.1%)

11 Ursula Bassler11soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calorimètre: électronique Preamp/ Driver L2 SCA LAr cell Calibration ADC Trig. sum Filter/ Shaper x1 x8 BLS Analog Storage BLS board PreAmp Board 4 * L1 SCA (48 deep) BLS (Base Line Subtraction): mise en forme du signal mémoires analogiques, soustraction de la ligne de base sélection des gains ADC: digitation suppression de 0

12 Ursula Bassler12soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calorimètre: bruit électronique /C vs. channel total: channels le bruit électronique mesuré ( du piédestal) en coups ADC dépend de la taille de la cellule (sa capacité) et de la capacité de feedback du type de PreAmpli le comportement de ce bruit correspond aux valeurs attendues pour les canaux qui fonctionnent correctement le bruit en coups ADC est approximativement le même quau Run I plus élevé en énergie (inversion des résistances, non-linéarité des SCA) gain 8 gain 1 ECNW CCW ECSW ECSE CCE ECNE

13 Ursula Bassler13soutenance d'habilitation 28/11/2003 Algorithmes: NADA Identification des cellules chaudes et isolées du calorimètre calorimètre AIDA - Run I: seulement les dépôts dénergie des cellules isolée longitudinalement sont considérés bonne efficacité (99%) mais taux élevé de misidentification (~10%) NADA - Run II: le critère disolation tient compte de toutes les cellules voisines efficacité encore bonne (90%) et faible taux de mis identification (0%) !! abaissement du seuil dénergie possible taux de mis identification encore faible (< 1%) inclus dans la reconstruction de DØ depuis 2001 adapté à partir de la "y noise -suppression" de H1

14 Ursula Bassler14soutenance d'habilitation 28/11/2003 Algorithmes: T42 sélection de toutes les cellules avec un signal > 4 entre 2 et 4 uniquement les voisins sont gardés développé à partir de l'algorithme TNS de H1 mais rejet des cellules dénergie négative

15 Ursula Bassler15soutenance d'habilitation 28/11/2003 Reconstruction de J/ et reconstruction des électrons à basse énergie avec/sans T42 meilleur efficacité de reconstruction, avec un peu plus de bruit de fond: les coupures de sélection doivent être adaptées meilleure résolution en énergie

16 Ursula Bassler16soutenance d'habilitation 28/11/2003 La calibration électronique précision sur la linéarité des courants: < 0.1% incertitude principale: capacités parasitiques Pulser Interface: configuration automatique 12 Pulsers délivrent courants continues hauteur du pulse commandes du début du pulse 6 répartiteurs actifs avec 16 bascules forment le signal de calibration

17 Ursula Bassler17soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calibration: Résultats stabilité des gains sur une année pulser shaper output pulser ADC- readout mesure du signal de calibration après shaping et après digitation inversion des résistances d'adaptions de gain BLS/ADC comparaison de la réponse gain1/gain8 non- linéarité des SCA intercalibration des gains des canaux électronique non-linéarité des SCA

18 Ursula Bassler18soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calibration: Z ee effet des différentes corrections de calibration appliquées à l'énergie des électrons M Z /GeVs Z /GeVs Z /M Z énergie brute % non linéarité % calibration gains % ajustement Z ee (données/simulation) % corrections en des matériaux morts (simulation/pdg) % corrections calibration en ligne %

19 Ursula Bassler19soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calibration: Corrections 1% calibration physics Correction pour le temps déchantillonnage du signal (effet ~1%) variation canal/canal pour la différence calibration/physique (~1%)

20 Ursula Bassler20soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calibration: les jets différence entre données et simulation à grand énergie terme constant? simulation des cracks? compensation? calibration des jets à partir des événements +jets résolution déterminée à partir des événements di-jet, utilisant: |p t1 -p t2 /p t1 +p t2 |

21 Ursula Bassler21soutenance d'habilitation 28/11/2003 Calorimètre: prospectives buts: erreur su l'échelle en énergie électromagnétique: < 1% erreur sur l'échelle en énergie des jets ~2% détermination de la résolution em à partir des données: calibration par les resonances Z, J/, calibration en E/p amélioration de la simulation des matériaux morts études de l'influence des cracks correction de diaphonies mesure de e/, vérification de la compensation reponderation de l'énergie hadronique à la H1

22 Ursula Bassler22soutenance d'habilitation 28/11/2003 HERA H1 ZEUS Hambourg unique collisionneur ep: 27GeV(e ± ) 820/920 GeV (p) démarrage 1991, arrêt machine 2000/2001 pour augmenter la luminosité temps de croisement: 96ns luminosités intégrées HERA I: e + p s=300 GeV: 35 pb -1 (94-97) e + p s=320 GeV: 77 pb -1 (99/00) e - p s=320 GeV: 14 pb -1 (98/99)

23 Ursula Bassler23soutenance d'habilitation 28/11/2003 DIS à HERA variables cinématiques: moment de transfert Q 2 = - (e-e') 2 paramètre d'inélasticité y=(p· ) /(p· e) fraction du moment du proton x=Q 2 / (p· e) = Q 2 /y · s les interactions de diffusion profondément inélastique à HERA permettent de sonder la structure du proton à une échelle m mesure à la fois de l'électron diffusé et de l'état final hadronique ' e p e'

24 Ursula Bassler24soutenance d'habilitation 28/11/2003 Régions cinématiques à HERA extensions par rapport au expériences sur cible fixe: accès à la région à bas x et bas Q 2 extrapolation à grand Q 2 mesure à grand x grâce à des méthodes hadroniques mesure de S mesures à grand y détermination de F L mesure NC/CC au sein des mêmes expériences mesures en e + /e - vérification des prédictions électrofaibles détermination de xF 3

25 Ursula Bassler25soutenance d'habilitation 28/11/2003 Les fonctions de structure Pour des interactions à courant neutres (NC): fonctions de structure généralisées fonction de structure longitudinale généralisée contribution non-négligeable à grand y contributions non-négligeables à Q 2 >10000GeV 2 en ne considérant uniquement l'échange électromagnétique:

26 Ursula Bassler26soutenance d'habilitation 28/11/2003 Les ajustements NLO-DGLAP L'évolution de F 2 dépend des densités de quarks et de gluons: Les densités de partons sont définis par: non-singlet singlet gluon La forme des densités de partons est paramétrée: L'évolution des pdf est donnée par les équations DGLAP:

27 Ursula Bassler27soutenance d'habilitation 28/11/2003 La structure du proton densités de partons/gluons dans différentes régions cinématiques: bas Q 2 : domaine non-perturbatif description des section efficaces par des modèles du type Regge évolution à grand Q 2 : termes dominants en log Q 2 équations DGLAP comportement en x non-contraint évolution à bas x: termes dominant en log1/x logQ 2 équations BFKL densité de gluons en x -, 0.5

28 Ursula Bassler28soutenance d'habilitation 28/11/2003 La reconstruction cinématique 4 quantités mesurées la cinématique est sur contrainte: électron (E, ) – hadrons ( h = E h -p z,h, p T,h, h = 2 atan h / p T,h ) y= h /2E 0 Q 2 =p T 2 /(1-y) x=Q 2 /ys(s=4E 0 P) conservation d'énergie/impulsion: combinaisons pour calculer y, Q 2, x électron (E, ): Q 2 excellent, mais faible résolution à bas y hadrons ( h, p T,h ): mauvaise résolution en Q 2, stable en y méthodes combinées e/h: DA (, h ), "mixed" (Q 2 e,y h ), (E,, h ), e …. Acceptance Stabilité Pureté

29 Ursula Bassler29soutenance d'habilitation 28/11/2003 Reconstruction de y h reconstruction de y h à partir des différents sous-détecteurs pertes des particules "molles": combinaison "cellules & trace" région à bas y: sensible au bruit dans le calorimètre à Argon liquide soustraction du bruit à la "NADA" Q 2 > 150GeV 2 Q 2 < 150GeV 2

30 Ursula Bassler30soutenance d'habilitation 28/11/2003 F 2 pré-HERA comportement de F 2 à petit x non contraint mesures de BCDMS/NMC jusqu'à x=0.01 à Q 2 =20GeV 2 différentes prédictions: MRSD 0 /CTEQ1: densité de gluons à la Regge - g(x) x 0 MRSD - : densité de gluons à la BFKL - g(x) x - avec =0.5 GRV: évolution DGLAP de la densité de gluons "valence-like" à Q 2 <1

31 Ursula Bassler31soutenance d'habilitation 28/11/2003 F 2 : croissance à petit x première mesure de F 2 sur les données 1992: luminosité: L =22.5 nb -1 forte croissance de F 2 à petit x pas de comportement à la Regge précision limitée

32 Ursula Bassler32soutenance d'habilitation 28/11/2003 F 2 : violation déchelle mesure de F 2 sur les données 1993: luminosité: L =271 nb -1 mesure sur 14 bins en x observation de la violation d'échelle en log Q 2 premier ajustement NLO- QCD croissance de F 2 due à l'augmentation de la densité des quarks de la mer à petit x, engendrée par boson-gluon fusion

33 Ursula Bassler33soutenance d'habilitation 28/11/2003 F 2 : la densité de gluons mesure de F 2 sur les données 1994: luminosité: L =2.7 pb -1 première mesure de précision domaine de mesure en Q 2 entre 1.5 et 5000 GeV 2 extraction de la densité de gluons par ajustement QCD-NLO précision de 15%

34 Ursula Bassler34soutenance d'habilitation 28/11/2003 F 2 : taux de croissance en x mesure de F 2 sur les données 1995: première mesure avec SpaCal donnes à vertex déplacé permettent l'exploration du domaine de transition photoproduction - DIS domaine de mesure en Q 2 entre 0.35 et 3.5 GeV 2 parametrisation des pentes de F 2 en x - pour x<0.1 évolution des pentes en fonction de Q 2 mesures ultérieures: changement de comportement autour de Q 2 1GeV 2 avec une limite de 0.08 (a la Regge)

35 Ursula Bassler35soutenance d'habilitation 28/11/2003 DIS à grand Q 2 NC CC /Z W +/- e +/- p p e X X ( - ) dépendance au propagateur et au terme de fonction de structure CC couplage au quarks dépend de leur charge et de leur saveur NC couplage au quarks dépend de leur charge

36 Ursula Bassler36soutenance d'habilitation 28/11/2003 grand Q 2 : d /dQ 2 données à Q 2 >150GeV 2 luminosité: L =37.6 pb -1 la section efficace NC dominée par les interactions électromagnétiques variation de d /dQ 2 sur 7 ordres de grandeurs la dépendance de la section efficace CC permet d'extraire M W dans la voie s précision sans contraindre G F : M W =5.2GeV précision en utilisant les contraintes du Modèle Standard sur G F : M W =0.4GeV avec une erreur dominante venant des pdfs

37 Ursula Bassler37soutenance d'habilitation 28/11/2003 mesure de la section efficace jusqu'à x=0.65 section efficace à x=0.65 plus faible que attendue région cinématique uniquement contrainte par des données BCDMS à plus bas Q 2 reconstruction cinématique: HERA: méthodes hadroniques(e ): sensible au bruit calorimétrique BCDMS: méthodes leptonique: intrinsèquement faible résolution sensible aux quarks de valence influence sur S grand Q 2 : r (x,Q 2) à grand x

38 Ursula Bassler38soutenance d'habilitation 28/11/2003 grand Q 2 : densités u et d extraction des densités des quarks de valence à grand x NC: contribution dominante quark u CC en e + p: contribution dominante en quark d xq= mes [xq fit / fit ] extractions des densités pour des bins avec une contribution attendue en u et d supérieur à 70% erreur sur la soustraction 2%

39 Ursula Bassler39soutenance d'habilitation 28/11/2003 grand Q 2 : lhelicité d quark u+c échange de uniquement (1-y) 2 xF 3 dépendance en (1-y) 2 correspond à cos /2 dans le centre de masse CC: W + L q supprimé (conservation de la helicité) NC: /Z contributions isotrope et non-isotrope + contribution de xF 3 non-isotrope

40 Ursula Bassler40soutenance d'habilitation 28/11/2003 F 2 : mesures de HERA I domaine cinématique mesuré: 0.01 < Q 2 < GeV < x < 0.65 détermination de la densité de gluons à 3% extraction de F L, xF 3 détermination de S : ± (exp) ±0.005(theo) sur les données H1 et BCDMS

41 Ursula Bassler41soutenance d'habilitation 28/11/2003 pdf post-HERA I différence majeur entre MRST/CTEQ: la densité de gluons à moyen x contrainte expérimentale: mesure de la section efficace des jets au Tevatron influence des données de HERA dans le analyses globales (MRST/CTEQ) accord pour la détermination de S ±0.002 ±0.003 (MRST) ± (CTEQ) incertitudes sur les pdf:

42 Ursula Bassler42soutenance d'habilitation 28/11/2003 top: la production masse du top élevée calcul perturbatif de la section efficace au Tevatron le top est produit à grand x principalement en mode qq la section efficace au NNLO à s=1.96 TeV est =6.77pb au LHC: production principalement en mode gg section efficace NLO à s=14 TeV est =833pb Tevatron: 85% LHC: 10% Tevatron: 15% LHC: 90%

43 Ursula Bassler43soutenance d'habilitation 28/11/2003 top: canaux de désintégration désintégration quasi exclusivement en Wb détection selon le canal de désintégration di-lepton: faible rapport d'embranchement, signal/bruit 3.5 hadronique: bruit de fond QCD élevé lepton+jets: cinématique contrainte di-lepton200 événements lepton+ 4jets 1800 événements lepton+ 3jets/b-tag 1400 événements lepton+ jets/2 b-tags 450 événements estimation pour L =2fb -1 :

44 Ursula Bassler44soutenance d'habilitation 28/11/2003 top: section efficace intérêt de la mesure tt : vérification des prédictions QCD recherche de nouvelle physique: production via bosons lourds mode de désintégrations autres que Wb Premières mesures de tt du Run II avec L =100 pb -1 en: di-lepton (ee,, e ) lepton+jets (e+jets, +jets) mesure au Run I à s=1.8 TeV: = (stat) 1.04 (syst)

45 Ursula Bassler45soutenance d'habilitation 28/11/2003 top: prospectives Run II Pour une luminosité de 2 fb -1 : précision sur la section efficace ~8% erreur statistique: 4% erreurs systématiques: estimation du bruit de fond: diminution avec la statistique des lots de contrôle ~2% échelle d'énergie des jets ~2% rayonnement QCD ~ 2% Limitations ? erreurs sur la simulation de l'acceptance: ~4% erreur sur la luminosité: ~4%

46 Ursula Bassler46soutenance d'habilitation 28/11/2003 top: mesure de la masse la masse du top: paramètre fondamental dans le Modèle Standard détermine le couplage ttH prédiction de la masse du Higgs par les corrections radiatives: Run II: M h /M h à 35% CDF/D0 2 fb -1 goal! canal lepton+jets 3 contraintes m(l ) = m(qq) = m W m(l b) = m(qqb) 1 inconnue (p z ) 24 ambiguïtés combinatoire

47 Ursula Bassler47soutenance d'habilitation 28/11/2003 Conclusion HERA I a permis de vérifier la validité de la QCD perturbative et de déterminer les densités de partons avec précision: la densité de gluons à petit x les contraintes à grand x et grand Q 2 Tevatron est le seule endroit pour l'étude du quark top les mesures de la section efficace de production les contraintes de part sa masse sur la masse du Higgs complémentarité des deux programmes de physique donne le savoir nécessaire pour rechercher de la nouvelle physique au LHC


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