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1 Préparation de lanalyse des données dATLAS auprès du LHC : Identification des électrons Marine Kuna sous la tutelle de Fabrice Hubaut.

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1 1 Préparation de lanalyse des données dATLAS auprès du LHC : Identification des électrons Marine Kuna sous la tutelle de Fabrice Hubaut

2 2 Le Large Hadron Collider Collisionneur proton-proton circulaire (ancien site du LEP) Énergie dans le centre de masse : s = 14 TeV Luminosité nominale : cm -2 s -1 Premières collisions prévues pour lété expériences : Alice, LHCb, CMS et ATLAS Formidable ouverture de lespace des phases Z (1TeV) Higgs (500GeV) Collisions inélastiques Tevatron (10 fb -1 ) LHC (10 fb -1 )100k10k10 15

3 3 Intérêt de la maîtrise de lobjet électron Signal noyé dans le bruit hadronique : utilité des leptons, objets simples Intérêt dun électron isolé : nombreux canaux pour la calibration (Modèle Standard) et découverte (Higgs, Nouvelle Physique) W eν tt e+X MS Z ee H ZZ 4e H WW lν lν Higgs _ Identification des électrons Calorimètre électromagnétique g e+X NP ~ Z ee

4 4 Le détecteur ATLAS p p Généralités L ~ 44 m, ~ 22 m 7000 tonnes Trajectographe interne (silicium + Trajectographe à Rayonnement de Transition) Calorimètres électromagnétique & hadronique Solénoïde Spectromètre à muons Aimants toroïdaux Système de déclenchement 3 niveaux rejet en ligne ~ GHz 75 kHz 2 kHz 200 Hz En particulier : déclenchement sur les électrons isolés.

5 5 Bouchon des calorimètres Tonneau des calorimètres

6 6 Le calorimètre électromagnétique Calorimètre à échantillonnage Plomb/ Argon liquide (90 K) Géométrie en accordéon herméticité azimuthale parfaite Couverture angulaire : ||<3.2 Épaisseur suffisante Grande granularité via une segmentation longitudinale et transverse canaux >22 X 0 PS (||<1.8 ) évaluation des pertes en amont S1 (0.003x0.1) mesures de position, séparation γ/π° S2 (0.025x0.025) dépôt dénergie principal S3 (0.05x0.025) queues de haute énergie

7 7 électron jet Variables didentification calorimètre électromagnétique S1S2S3 calorimètre hadronique 1 er compartiment variables hadroniques Fuites hadroniques variables de S2 Largeur de la gerbe Variables de S1 Association entre dépôt calorimétrique et trace E/p, Δη, Δφ Trajectographe à Rayonnement de Transition Détecteurs au silicium Variables de traces Nombre de coups dans les détecteurs, paramètre dimpact Variables du TRT Nombre de coups de haute énergie / nombre de coups total z r

8 8 Exemple : variables calorimétriques (S2) weta2 : largeur de la gerbe électrons (Z->ee) jets (dijets) Variables liées à la largeur du dépôt calorimétrique E237/E277 : énergie 3*7/énergie 7*7 Jets gerbes + larges

9 9 Dépendance en η des variables didentification Exemple de profil : largeur latérale de la gerbe en fonction de η changement de fraction déchantillonnage crack passage du barrel aux end-caps |η| = < |η| <1.50 fin des TRT & changement de granularité dans S1 |η| = 2.0 fin du presampler & changement de granularité dans S1 |η| = 1.8 changement de granularité dans S1 |η| = 2.35 fin du détecteur interne & fin de la grande roue |η| = 2.47

10 10 Efficacité didentification des électrons Z ee Lefficacité didentification des électrons issus de Z est de 90.0% ±0.3% pour le calorimètre seul et de 59.3% ±0.5% avec toutes les coupures Eff. Electron Total calorimètre Total cuts hadS2S1Calo ID MatchTRTAll Coupures efficacité de chaque groupe de coupures efficacité cumulée

11 11 Incertitudes systématiques : influence de lajout de matière η X φ >0 φ <0 Épaisseur (X0) Objectif : - estimer les effets dus à lincertitude sur la quantité de matière Outil : - ajout artificiel dans la simulation de matière sur lhémisphère φ>0 du détecteur interne

12 12 Incertitudes systématiques : influence de lajout de matière Les effets de lajout de matière dans le trajectographe induisent une perte de ~3% sur lefficacité totale à cause des coupures sur la qualité des traces. 58.4%± 0.7% defficacité totale pour φ>0, 61.6%± 0.7% pour φ<0 Eff. Electron cuts hadS2S1CaloIDMatch.TRT All Coupures φ>0 φ<0 Φ>0 : 89.5%±0.4% Φ<0 : 90.5%±0.4% => ~1% de différence ~1.5% Plus la quantité de matière traversée est importante plus la reconstruction des traces est difficile

13 13 Incertitudes systématiques : identification pour divers évènements Influence des caractéristiques cin é matiques de l é lectron ( spectres en Pt et en η) et de l environnement hadronique W e tt e+X H (130 GeV) 4e g e+X (SU3) Z (2TeV) ee MS NP _ ~

14 14 Influence de la cinématique Z vs Z Efficacité cuts hadS2S1CaloIDMatch.TRT All Coupures Efficacité totale : 60.0±0.8% pour Z 59.3±0.5% pour Z Efficacité calo : Z : 92.6±0.4% Z : 90.0±0.3% Différences defficacité sur chaque variable sexpliquent par les différences de spectre Les efficacités totales ne sont proches que par le jeu de compensation efficacité des électrons Z 0.35 Électrons de Z + énergiques => développement de la gerbe + tardif => gerbe moins large dans S1 Z ee E/p moins bon car p moins bien reconstruit dans ID (car grand Pt) Z ee ΔPt/Pt

15 15 Comparaison entre les évènements Moins de 5% de différence Important de le prendre en compte (mesure de lefficacité sur les données à partir du Z) Z W H Z tt g Efficacité totale Etude similaire effectuée pour W eν, tt e+X, H 4e, et g e+X ~- ~ _

16 16 Mesure de lefficacité didentification avec les données Z ee Efficacité coupure = Ntight/Nloose électron tag électron probe événement N tight N loose Coupure lâche (loose) = coupure sévère – la coupure dont on veut mesurer lefficacité Coupure sévère (tight) La méthode Tag & Probe Il ne doit pas y avoir de corrélation entre la coupure étudiée et la coupure lâche. Il faut un lot délectrons purs. Pour cela, on utilise la masse invariante du Z.

17 17 Sélection sur la masse invariante de deux électrons Z ee dijets total Nombre dévénements par fb -1 Mee (GeV) Rapport bruit sur signal dans la fenêtre [80 GeV-100 GeV] ~1.5%

18 18 Mesure de lefficacité didentification avec les données cuts hadS2S1CaloIDMatch.TRT All efficacité mesurée sur les données efficacité « vraie » Eff. Electron Bon accord (qqs pourmilles) auquel on devra ajouter une incertitude due au bruit de fond Coupures

19 19 Extrapolation de la mesure aux autres événements Z W H Z t t g Efficacité efficacité mesurée sur Zee puis extrapolées efficacité « vraie » ~-

20 20 Conclusions Identification des électrons fondamentale au LHC Études Monte-Carlo : efficacités Z ee de 90% (calo) et 59% (total) Incertitudes Systématiques (robustesse de lidentification) Ajout de matière de 15% => variations efficacité <3% Influence de la cinématique de lévénement (η, Pt ) => variation efficacité totale < 5% Préparation à lanalyse des 1 ères données Variables et coupures doivent être optimisées/simplifiées Méthode de mesure de lefficacité sur les données Z ee : bon accord avec la vérité, extrapolation aux autres événements Mon travail :

21 21 Perspectives Rester dans loptique des 1 ères données : Participation à un exercice en cours dans ATLAS : simulation de 18 pb -1 de vraies données Mesure de la section efficace de production du Z : exploiter les compétences acquises => inclure déclenchement Approfondir ma connaissance du calorimètre EM Nécessaire pour utiliser les électrons comme sonde pour la nouvelle physique ATLAS complètement installé: muons cosmiques en cours dacquisition Me tenir prête pour larrivée des 1 ères données du LHC !

22 22 SPARES

23 23 Le Large Hadron Collider Ouverture de lespace des phases

24 24 =0 =1.4 =3.2 =4.9 Calorimétrie dATLAS Calorimètre hadronique Calorimètre électromagnétique Calorimètre avant Bouchons du calorimètre hadronique

25 25 Variables calorimétriques (hadro) Pas de dépôt hadro pour les électrons Fuites hadroniques (Ethad1/Et37) électrons (Z->ee) jets (dijets) Distributions des variables illustrées dans le barrel pour 0<|η|<0.8

26 26 Variables calorimétriques (S1) Emax2/( *Et37) 0.25 Largeur totale de la gerbe 4. Forme du cœur de la gerbe 0.35 electrons (Z->ee) jets (dijets) ΔE ~ 0 pour électrons ΔE 0 pour π° 2 e max-min dénergie 0.8 Largeur de la gerbe sur 3 strips 0.15 Le second maximum dénergie déposé dans S1 doit être inférieur à une limite dépendant linéairement de lénergie transverse

27 27 Variables dassociation entre dépôt calorimétrique et trace Pour un électron E/p~1 Une trace doit être associée plus précisément au dépôt calorimétrique électrons (Z->ee) jets (dijets) Δη Δφ E/p

28 28 Variables de trace (détecteur interne) au préalable association lâche : on veut quune trace corresponde a peu près au dépôt calorimétrique electrons (Z->ee) jets (dijets) Nombre de coups dans la couche du b Paramètre dimpact transverse (cm)Nombre de coups dans le détecteur à pixels + SCT Nombre de coups dans le détecteur à pixels -> Les coupures sont là pour assurer une qualité de la trace plus que pour discriminer.

29 29 Variables du détecteur interne : variable du TRT Présence dun rayonnement de transition pour les électrons, pas pour les π électrons (Z->ee) jets (dijets) 0.1 Moyennes e : 0.19 Jets : 0.11 Nombre de coups de haute énergie dans le TRT sur nombre de coups total dans le TRT

30 30 Efficacité des électrons de g e+X Efficacité cuts hadS2S1CaloIDMatch.TRT All Coupures 4 Les différences vont presque toutes dans le même sens : lefficacité didentification des électrons de Z est meilleure que celle de Z 1 2 3

31 31 Spectres pour g e+X Z ee g e+X Z ee g e+X η vrai Pt vrai (GeV) Moyenne Z : 36 GeV g : 66 GeV

32 32 Efficacité des électrons de g e+X : S1 =>On coupe plus délectrons de Z que délectrons de g Z ee g e+X Les électrons de Z étant + énergiques leur gerbe commence plus loin dans le calorimètre et ils sont moins larges dans S1

33 33 Efficacité des électrons de g e+X 2 : traces Z ee g e+X Il est plus difficile de reconstruire les traces des électrons les moins énergétiques (Z) 9 =>On coupe plus délectrons de Z que délectrons de g 9

34 34 Efficacité des électrons de tt e+X Efficacité cuts hadS2S1CaloIDMatch.TRT All Coupures 1 2 3

35 35 Efficacité des électrons de H 4e Efficacité cuts hadS2S1CaloIDMatch.TRT All Coupures 1 2 3


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