Etude du quark top au LHC dans l’expérience ATLAS Bernardo Resende sous la direction d’Emmanuel Monnier 18 avril 2005 Le LHC et ATLAS Physique du quark top Etudes en simulation détaillée Conclusions et perspectives

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS2 Le LHC LHC : collisionneur proton- proton à 14 TeV LHC : collisionneur proton- proton à 14 TeV  Sections efficaces accrues (particules lourdes notamment)  Objectifs : Higgs, nouvelle physique (SUSY, …) 4 détecteurs dont 2 généralistes : 4 détecteurs dont 2 généralistes : CMS et ATLAS

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS3 L’expérience ATLAS 2000 personnes, 35 pays, 150 instituts 2000 personnes, 35 pays, 150 instituts Détecteur : 7000 t, Détecteur : 7000 t, 46m x 25m diam. Participation du CPPM : Participation du CPPM :  Détecteur interne : pixels  Calorimètre électromagnétique (bouchons)  Système de déclenchement Détecteur interneCalorimètres Spectromètre à muons Aimants

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS4 Le quark top Découvert au TeVatron en 1995 Découvert au TeVatron en 1995  Multiples études en cours à Fermilab (faible statistique) Masse : ~ 175 GeV (= masse atome or !) Masse : ~ 175 GeV (= masse atome or !)  ~ échelle de brisure de symétrie EF  rôle fondamental ?  Temps de vie très faible (~ s) : pas d’hadronisation  Décroissance presque exclusive (MS) : t  Wb LHC : usine à tops (>10 M/an, L = cm -2 s -1 ) LHC : usine à tops (>10 M/an, L = cm -2 s -1 )  Production de paires top-antitop :  ~ 850 pb  Production de tops seuls :  ~ 300 pb (non observé)

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS5 Les événements top-antitop

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS6 Polarisation du boson W Etude du vertex de décroissance tWb : Etude du vertex de décroissance tWb : W + gauche F L = 30% W + longitudinal F 0 = 70% W + droit F R = 0% Supprimé (couplage V-A) b t W W t b W t b (m b ~0) Proportions F 0, F L, F R accessibles par l’angle entre le W et le lepton :  Proportions F 0, F L, F R accessibles par l’angle entre le W et le lepton :  

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS7 Corrélations de spin Mais asymétrie (  /  ) dans la production : corrélation entre les spins top/antitop Mais asymétrie (  /  ) dans la production : corrélation entre les spins top/antitop Paramètres accessibles avec les angles entre tops et particules-filles Paramètres accessibles avec les angles entre tops et particules-filles Les tops produits par paires ne sont pas polarisés Les tops produits par paires ne sont pas polarisés

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS8 Sélection des événements Critères de sélection : Critères de sélection :  P T,  des leptons et jets + E T miss  Etiquetage des jets issus de b  Signal : évts/an, 10 fb -1 Bruits de fond : Bruits de fond :  Lepton =  : non utilisés  Bruit de fond prédominant (> 80%)  bb (+W), Z et/ou W et/ou jets  Signal/bruit > 10  WbWb  l bjjb tt  WbWb  l bjjb (semileptonique)

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS9 Vers la simulation complète Etudes réalisées en simulation rapide (10 fb -1 ) Etudes réalisées en simulation rapide (10 fb -1 )  Polarisation W : précision de quelques %  Corrélation de spin : précision de 10 %  Enjeu : maîtrise des erreurs systématiques (reconstruction)  M(top), échelle d’énergie des jets,… Continuation de l’étude : simulation détaillée Continuation de l’étude : simulation détaillée  Chaque élément du détecteur est modelisé  Préparation des outils d’analyse pour les données  Utilisation de la plateforme ATHENA

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS10 Simulations effectuées et en cours Effort de la collaboration vers la simulation détaillée Effort de la collaboration vers la simulation détaillée  Data Challenges (DC)  Utilisation de la Grille de Calcul (LCG) Forte participation du CPPM (Higgs, b-tag, top) Forte participation du CPPM (Higgs, b-tag, top)  DC2 (2004, 10 M événements) :  250k événements top-antitop générés et reconstruits au CCIN2P3  Base pour les études actuelles  Atelier de physique en juin 2005 (15 M événements) :  200k événements top-antitop générés, en cours de reconstruction sur la Grille de Calcul (600k prévus)

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS11 Ingrédients de l’analyse : Ingrédients de l’analyse :  Electrons  Jets  Etiquetage des jets b  Muons  E T miss Ingrédients de l’analyse : Ingrédients de l’analyse :  Electrons  Jets  Etiquetage des jets b  Muons  E T miss Etude en simulation complète Ingrédients de l’analyse : Ingrédients de l’analyse :  Electrons  Jets  Etiquetage des jets b  Muons  E T miss

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS12 Etude en simulation complète Ingrédients de l’analyse : Ingrédients de l’analyse :  Electrons  Profil de dépôt d’énergie dans les calorimètres  Association avec une trace chargée  Détecteur à transition de radiation : séparation e/jets  Résultats actuels :  Efficacité : ~ 70% (objectifs : 90 %)

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS13 Etude en simulation complète Ingrédients de l’analyse : Ingrédients de l’analyse :  Electrons  Jets (algorithme de cône)  Pertes d’énergie hors des cônes : correction nécessaire  Premier essai avec la vérité : écarts 13%  2%

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS14 Conclusions et perspectives Etudes sur le quark top (polarisation W, corrélation de spin), simulation rapide : Etudes sur le quark top (polarisation W, corrélation de spin), simulation rapide :  Résultats attendus dès la 1 ère annèe du LHC Passage à la simulation détaillée Passage à la simulation détaillée  Participation active aux efforts de simulation (DC)  Analyse en cours de développement  Prochaine échéance en juin (atelier physique) Autre thématique : muons dans les tests combinés en faisceau Autre thématique : muons dans les tests combinés en faisceau  Energie déposée dans les calorimètres

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS15 Compléments

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS16 Test combiné en faisceau 2004 Test sur une tranche entière d’ATLAS Test sur une tranche entière d’ATLAS  Prise de données en 2004, analyses en cours Etude des muons Etude des muons  Calcul de l’impulsion avec détecteur interne + spectromètre  Extrapolation dans le calorimètre  But : estimer l’énergie perdue dans le calorimètre

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS17 Etude des polarisations La distribution angulaire des produits de décroissance dépend du spin de la particule : La distribution angulaire des produits de décroissance dépend du spin de la particule :  S : polarisation de la particule   i : dépendance entre l’angle et le spin (i.e. : pouvoir d’analyse)

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS18 Corrélations de spin Un paramètre de la corrélation de spin : C Un paramètre de la corrélation de spin : C  Accessible à travers les distributions angulaires :  Reconstruction complète de l’événement

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS19 Etude en simulation complète Recalibration de l’énergie des jets Recalibration de l’énergie des jets  Dépendance en P T, , énergie (  négligeable)  Distributions 2D, puis profils  Valable si l’allure est homogène

18 avril 2005B. Resende - Etude du top avec ATLAS20 Simulation rapide et complète Première étape : utiliser l’architecture C++ (ATHENA) Première étape : utiliser l’architecture C++ (ATHENA)  Nouvelle simulation numérique  Analyse reproduite en C++  Validée (mêmes performances) Point de départ : étude existante en FORTRAN Point de départ : étude existante en FORTRAN  Simulation + outils d’analyse