Recherche de Particules Stables Chargées et Lourdes (HSCP) avec le détecteur CMS au LHC Loïc Quertenmont Florida State University Samedi de la physique.

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1 Recherche de Particules Stables Chargées et Lourdes (HSCP) avec le détecteur CMS au LHC Loïc Quertenmont Florida State University Samedi de la physique - 30 Avril 2011

2 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch2 Plan Introduction : Introduction : A la physique des particules… A la physique des particules… … Stables, Chargées et Lourdes … Stables, Chargées et Lourdes Le LHC et CMS Le LHC et CMS Énergie perdue dans le trajectographe Énergie perdue dans le trajectographe Identification, Reconstruction de la masse Identification, Reconstruction de la masse Calibration Calibration Recherche des HSCP dans CMS Recherche des HSCP dans CMS HSCP traversant CMS HSCP traversant CMS HSCP s’arrêtant dans CMS HSCP s’arrêtant dans CMS

3 Introduction

4 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch4 Tableau des particules élémentaires Prédit mais pas encore observé Modèle Standard de la physique des particules Extension (super-symétrique) du Modèle Standard ?

5 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch5 Hadrons de HSCP (R-Hadrons)…Proton Charge électrique: 2/3+2/3-1/3=+1 Neutron Charge électrique: 2/3-1/3-1/3=+0 Gluino R-Hadron Charge électrique: 2/3+2/3-1/3=+1 Stop R-Hadron Charge électrique: 2/3+2/3-1/3=+1

6 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch6 Les HSCPs H Heavy  Masse > 100GeV  Générallement lent au LHC… S Stable  Temps de vie > ~5ns C Charged  Charge électrique P Particle/Particule  On a besoin d’un accélérateur puissant pour créer des particules si massives (E=mc²) ?

7 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch7 Un Collisionneur ? On peut créer de nouvelles particules à partir de protons très énergétiques E = mc²

8 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch8 Le Large Hadron Collider (LHC)CMS ATLAS LHCb ALICE Énergie de collision: 7000 GeV Collisions effectuées:~15.000 milliards (~200 pb -1 )

9 08/06/2010 - IPRD10 - UCL - CP3Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch9 CMS : Compact Muon Solenoid Diameter : 15.0m Length : 21.5m Weight : 12500t

10 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch10 Le Compact Muon Solenoid (CMS)

11 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch11 Premières Collisions dans CMS

12 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch12 Le Compact Muon Solenoid (CMS)

13 Energie perdue dans le Trajectographe

14 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch14 Le Trajectographe de CMS Détecteur à strips: 15148 Modules 9.7M Canaux Une particule traverse ~15 modules

15 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch15 ΔXΔXΔXΔX ΔE1ΔE1ΔE1ΔE1 ΔE2ΔE2ΔE2ΔE2 ΔE3ΔE3ΔE3ΔE3 ΔE = ΔE 1 +ΔE 2 +ΔE 3 470 (290) µm Energie Perdue par Ionisation (dE/dx) e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- Les particules lentes perdent plus d’énergie!

16 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch16 De la Trace au dE/dx Pixel Cluster Strip Cluster Run 124120 Event 4826255 Mon 2009-Dec-14 04:42:31 CET COM Energy 2.36TeV P = 1.42 GeV/c Pt = 1.39 GeV/c #Hit = 3 + 20 Chi² = 21.87 recombiner Pour chaque trace de particules, on a ~15 mesures de ΔE/Δx qu’on peut recombiner pour avoir une mesure plus précise du ΔE/Δx Estimateurs  ΔE/Δx Discriminateurs  P(ΔE/Δx)

17 08/06/2010 - IPRD10 - UCL - CP3Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch17 Short pathlength (~0.3 mm) Long pathlength (~0.6 mm) Normalized Charge (ADC/mm) La mathématique des estimateurs ~O(10) mesures du ΔE/Δx avec de grandes fluctuations statistiques  Landau Peuvent être combinées pour estimer le ΔE/Δx le plus probable Trois estimateurs du dE/dx: Les estimateurs négligent : Certains effets instrumentaux (saturations) La faible non linearité du ΔE/Δx avec le Δx

18 08/06/2010 - IPRD10 - UCL - CP3Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch18 La mathématique des discriminateurs ~O(10) mesures de probabilité que le ΔE/Δx observé soit incompatible avec le passage d’un muon (MIP). Peuvent être combinées pour obtenir une probabilité globale Trois discriminateurs: ne négligent pasContrairement aux estimateurs, les discriminateurs ne négligent pas: Certains effets instrumentaux (saturations) La faible non linearité du ΔE/Δx avec le Δx

19 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch19 Identification et Reconstruction de la Masse Plus la vitesse d’une particule est lente, plus l’énergie qu’elle perd dans le trajectographe est grande! Au LHC, les HSCP sont lentes. Elles perdent donc plus d’énergie que les autres particules (qu’on connaît bien) Si on mesure l’impulsion (p) et l’énergie perdue (dE/dx) d’une particule on peut reconstruire sa masse = vitesse X masse de la particule

20 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch20 Estimateur  Reconstruction de masse Kaon Proton Deuteron

21 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch21

22 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch22 Discriminateur  Identification des Particules Kaon Proton Deuteron Les discriminateurs mesurent la probabilité que la trace ne soit PAS un muon (MIP) Ils sont meilleurs pour identifier les particules lentes (HSCP) mais ils ne peuvent pas être utilisés pour reconstruire la masse des particules.

23 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch23

24 08/06/2010 - IPRD10 - UCL - CP3Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch24 Validation de la ParticleId ? Run 123596 Event 12886346 Mon 2009-Dec-06 09:20:02 CET COM Energy 900GeV Désintégration de V 0 comme référence Les V 0 sont des particules neutres qui se désintègrent en une paire de particules chargées après quelques cm.  apparait comme un “V” dans le tracker. V 0 sont principalement Λ 0  p + π - or K 0 s  π + π -

25 08/06/2010 - IPRD10 - UCL - CP3Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch25 Validation de la ParticleId ? Propriétés cinématiques de Λ 0  p + π - : p + est “toujours” la trace la plus énergétique p + est identifiée par la mesure de l’impulsion, dE/dx est utilisé comme vérification Leading Track Softest Track CMS PAS TRK-10-001

26 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch26 Calibration… Combinaisons des mesures de différents sous-détecteurs  Sous-détecteurs doivent avoir une même réponse  Calibration des 76K puces du détecteur Facteur de Correction = 300/302 = 0.993 ΔE/Δx (ADC/mm)

27 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch27 Calibration… ΔE/Δx avant calibration ΔE/Δx après calibration ΔE/Δx (ADC/mm)

28 À la recherche des HSCP… traversant le détecteur

29 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch29 Deux Analyses… HSCP Signature Grande impulsion (p) Grande Ionisation (dE/dx) (Ressemble à un Muon) 2 Analyses indépendantes: Tracker+Muon Tracker+Muon p + dE/dx + Muon ID HSCP restant chargées Tracker-Only Tracker-Only p + dE/dx HSCP devenant neutres p & dE/dx Muon ID p & dE/dx

30 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch30 La Sélection des HSCPs Type de trace: Type de trace: Tracker+Muon analysis  Traces qui vont jusqu’au système à muons Tracker-Only analysis  Toutes les traces Qualité de la trace: Qualité de la trace: High Purity, p T >15GeV, p T Err 3 Coupures de Sélections: Coupures de Sélections: p T dE/dx sur p T et sur dE/dx (Discriminateur) S=1/2 B=1/1000 X S=1/4 B=1/1000000 dE/dx discriminateur

31 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch31 Sélection améliorée La distribution du dE/dx et de p T dépend fortement du nombre de hits associés à la trace. Peu de hits  Grande queue de distribution Coupures qui dépendent du nombre de hits de la trace Améliorations? Améliorations? Plus de signal pour le même background Plus de signal pour le même background Fiabilité de la prédiction du background Fiabilité de la prédiction du background dE/dx discriminateur

32 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch32 Prédiction du nombre de backgrounds Pour le background Pour le background: Il n’y a pas de corrélation significative entre le dE/dx et le p T d’une trace Le rapport A/B est le même que C/D ! Traces de bas dE/dx et de bas p T Traces de grand dE/dx mais de bas p T Traces de bas dE/dx mais de grand p T Traces de grand dE/dx et de grand p T Coupure Pt Coupure dE/dx D est la région des HSCP! x B/A ABC D D=C x (B/A) D=C x (B/A)

33 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch33 Distribution de masse (sélection faible) 426±62 traces prédites 452 traces observées 281±51 traces prédites 307 traces observées

34 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch34 Résultats de la recherche (sélection forte) On a pas (encore) découvert de HSCP…...mais on peut quand même conclure quelque chose sur la probabilité de produire ces particules… Pour Tk+Muon: Pour Tk+Muon: 0.07±0.01traces prédites 0traces observées Pour Tk-Only: Pour Tk-Only: 0.025±0.005traces prédites 0traces observées La prédiction du background est relativement fiable. On peut choisir une sélection qui prédit ~0.1 traces dans la région signal (M>75GeV/c²), et compter le nombre de traces observées.

35 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch35 Résultats: Limite sur la section efficace Exclusion à 95% C.L. Avec l’info Muon: Avec l’info Muon: Gluino < 398 GeV/c² Gluino < 398 GeV/c² Stop < 202 GeV/c² Stop < 202 GeV/c² Sans l’info Muon: Sans l’info Muon: Gluino < 311 GeV/c² Gluino < 311 GeV/c²

36 À la recherche des HSCP… s’arrêtant dans CMS

37 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch37 Les HSCP stoppées…

38 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch38 Les HSCP stoppées… HSCP ciblées ? HSCP avec β<0.2-0.3 Se désintegrant après ΔT HSCP Signature Energie dans les calorimètres Alors qu’il n’y a eu aucune collision Background Effets instrumentaux, rayons cosmiques, trigger faisceaux hors délais Recherche La recherche se fait pendant les période sans faisceaux (trous entre bunchs et entre les fills)

39 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch39 Les HSCP stoppées… On recherche les HSCP dans HCAL  ~20% des HSCP s’arrete dans CMS HSCP ciblées ? HSCP avec β<0.2-0.3 Se désintegrant après ΔT HSCP Signature Energie dans les calorimètres Alors qu’il n’y a eu aucune collision Background Effets instrumentaux, rayons cosmiques, trigger faisceaux hors délais Recherche La recherche se fait pendant les période sans faisceaux (trous entre bunchs et entre les fills)

40 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch40 Backgrounds Les bruits de fond cosmiques et instrumentaux Sont observés et mesuré dans les données cosmiques (2008,2009,2010) Les bruits de fond liés aux faisceaux Dominés par les évènements « beam halo » Rejetés en utilisant la BeamHaloID via les détecteurs à muons des bouchons Le reste sont des événements « beam-gaz » et « early collision triggers » Rejetés via veto sur les événements de +1/-2 BX 0.24 évènements par heure!

41 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch41 Recherche Prédiction du taux de bruit de fond Utilise les données à basse luminosité comme échantillons de contrôle pour prédire le background La recherche est faite dans des bins de temps de vie, T Compte le nombre d’évènements observés et le nombre d’évènements attendus dans chaque bin. L’observation est compatible avec la prédiction  Peut mettre une limite sur la section efficace étant donnée la luminosité intégrée fournie par le LHC (CMS ne doit pas nécessairement être allumé)

42 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch42 Analyse du profil en temps

43 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch43 Limites indépendantes du modèle Orbit (optimisation fenetre de temps) LHC fill (accepte les événements de toutes l’orbite) T>T fill (perte de sensibilitée) 14 ordres de magnitudes!

44 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch44 Limites Si l’on utilise la probabilité pour une HSCP de s’arrêter dans CMS, on peut mettre une limite sur la section efficace X rapport de branchement La probabilité de s’arrêter dépend du modèle d’interaction hadronique… Exclusion des gluino (T=10µs to 1000s) avec M < 370 GeV/c²

45 Un mot sur les résultats d’Atlas

46 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch46 Résultats d’ATLAS Exclusion à 95% C.L. Gluino < 562 GeV/c² Gluino < 562 GeV/c² Stop < 309 GeV/c² Stop < 309 GeV/c² Sbottom < 294 GeV/c² Sbottom < 294 GeV/c²

47 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch47 Luminosité Int. délivrée par le LHC CMS HSCP Paper CMS Stopped HSCP Paper ATLAS HSCP Paper Many more Papers to come in 2011 !!!

48 Conclusions

49 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch49 Conclusions Calibration du trajectographe à strip de CMS Utilisée avec succès depuis >2ans Création d’algorithmes pour l’utilisation du dE/dx Identification des particules (discriminateurs) Reconstruction de la masse (estimateurs) Première recherche de HSCP au LHC Utilisation d’une sélection améliorée Prédiction du nombre d’événements background Première limite sur la XSec et masse (<398 GeV/c²) de gluinos Confirmation de la limite sur les stops jusqu’à 202 GeV/c² Première recherche de HSCP devenant neutres après le trajectographe Première recherche de HSCP stoppées au LHC Limite sur la masse des Gluinos (<370GeV/c²) pour 10µs< T <1000s

50 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch50 Merci… Merci à tous… References : Ces SlidesCes Slides: http://www.cern.ch/quertenmonthttp://www.cern.ch/quertenmont Ma Thèse : http://www.fynu.ucl.ac.be/users/l.quertenmont/MesDocuments/Thesis.pdf ou chercher « Loic Quertenmont » sur Google. http://www.fynu.ucl.ac.be/users/l.quertenmont/MesDocuments/Thesis.pdf CMS HSCP : arXiv:1101.1645 (hep-ex) et 10.1007/JHEP03(2011)024arXiv:1101.1645 (hep-ex)10.1007/JHEP03(2011)024 CMS Stopped HSCP: arXiv:1011.5861 (hep-ex) et 10.1103/PhysRevLett.106.011801arXiv:1011.5861 (hep-ex)10.1103/PhysRevLett.106.011801 ATLAS Paper : arXiv:1103.1984 (hep-ex)arXiv:1103.1984 (hep-ex) dE/dx dans CMS: 10.1016/j.nuclphysbps.2011.03.145 (to be published)10.1016/j.nuclphysbps.2011.03.145 (to be published)

51 Backups

52 30/04/2011 - Samedi de la physique - FSULloic.Quertenmont@cern.ch52 HSCP generées