Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie Le calorimètre électromagnétique d’ATLAS Recherche d’une nouvelle physique au LHC Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie

Pourquoi le LHC ? Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP : mh > 114.4 GeV @ 95% CL Exclusion Tevatron : 162< mh < 166 GeV @ 95% CL Limite supérieure théorique : mh < 700 GeV (unitarité diffusion WW) 

Pourquoi le LHC ? Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP : mh > 114.4 GeV @ 95% CL Exclusion Tevatron : 162< mh < 166 GeV @ 95% CL Limite supérieure théorique : mh < 700 GeV (unitarité diffusion WW) @ 14 TeV 

Pourquoi le LHC ? Le programme du LHC : 2010 : 2*3.5 TeV, jusqu’à 105 pb-1 par mois, total 0.2-0.5 fb-1 2011 : 2*3.5 TeV, ~ 100 pb-1 par mois, total ~ 1 fb-1 2012 : Consolidation 2013 : 2*6.5 TeV à 25% de la luminosité nominale 2014 : 2*7 TeV à 50% de la luminosité nominale @ 14 TeV

Pourquoi le LHC ? Collisionneur hadronique bruit de fond hadronique important signatures électromagnétiques h, hZZ*4e, hWWee importance du calorimètre électromagnétique ! @ 14 TeV

ATLAS y x   z =-ln[tan(/2)] 44 m 25 m

ATLAS pT/pT = 0.05% pT  1% pour ||<2.5 Détecteurs de traces (champ solénoïde de 2 T) pT/pT = 0.05% pT  1% pour ||<2.5

ATLAS Calorimètres électromagnétiques et hadroniques e/ : E/E = 10%/E  0.7% pour ||<2.5 jets : E/E = 50%/E  3% pour ||<3.2

ATLAS pT/pT = 10% pT à 1 TeV pour ||<2.7 Spectromètre à muons (champ toroïdale de 0.6 T) pT/pT = 10% pT à 1 TeV pour ||<2.7

ATLAS Calorimètres argon liquide Calorimètres électromagnétiques tonneau et bouchons Calorimètre hadronique bouchon Calorimètre avant Le calorimètre hadronique tonneau (les Tuiles) n’est pas « argon liquide »

Le calorimètre électromagnétique tonneau Calorimètre à échantillonnage argon liquide (milieu sensible) + plomb (absorbeur) Géométrie accordéon avec segmentation latérale et en profondeur Couverture jusqu’à ||<1.4 (4.9 pour le calorimètre avant) Back Middle Front Tranche du calorimètre électromagnétique tonneau  PS = pré-échantillonneur 

Création de la collaboration RD3 début 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Tests des premiers prototypes Création de la collaboration RD3 début 1990 Naissance de l’accordéon Premier prototype en juillet 1990

Tests signal et haute tension Câblage Tests à chaud puis à froid 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction des modules de série 1998 Construction du module de présérie 2001 Construction des modules de série Aujourd’hui en 2010 : 0 zones sans haute tension 0.02% de canaux morts sur le détecteur Tests signal et haute tension Câblage Tests à chaud puis à froid Facteur de correction haute tension Haute tension nominale Haute tension inferieure Haute tension sur un seul coté 2009

Excellent accord données /Monte-Carlo 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Tests en faisceau Test combiné 1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN 2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau 2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS Energie déposée selon la profondeur Résolution sur l’énergie des électrons 2002 PS FRONT Calorimètre seul Excellent accord données /Monte-Carlo MIDDLE BACK

Excellent accord données /Monte-Carlo 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Tests en faisceau Test combiné 1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN 2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau 2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS Résolution en énergie Energie déposée selon la profondeur 2004 (E)/E = 10.7±0.2 0.28±0.04 [%/E(GeV)] [%] PS FRONT Calorimètre + matière morte Excellent accord données /Monte-Carlo Correction de la matière en avant du détecteur Résolution comparable au détecteur seul MIDDLE BACK

Excellent accord données /Monte-Carlo 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Tests en faisceau Test combiné 1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN 2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau 2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS Résolution en énergie TRT LAr Tilecal beam 2004 (E)/E = 10.7±0.2 0.28±0.04 [%/E(GeV)] [%] Calorimètre + matière morte Excellent accord données /Monte-Carlo Correction de la matière en avant du détecteur Résolution comparable au détecteur seul

2003 Insertion dans le cryostat 2007 Electronique de traitement 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Installation 2003 Insertion dans le cryostat 2007 Electronique de traitement 2004 Descente dans le puits 192 cartes de traitement *8 DSP pour l’ensemble de l’argon liquide 170k canaux traités en < 10 s Energie reconstruite à ±0.3 MeV jusqu’à 8 GeV Temps reconstruit à ± 7 ps (par rapport aux calculs hors ligne) (et ce dès le démarrage d’ATLAS)

Non-uniformité de la réponse du calorimètre 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Installation Données cosmiques Non-uniformité de la réponse du calorimètre Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre électromagnétique ! 2001-2002 tests faisceaux 0,44% 245.6 GeV 18 Module P13 2006-2007 muons cosmiques dans les calorimètres <2%

Non-uniformité de la réponse du calorimètre 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Installation Données cosmiques Non-uniformité de la réponse du calorimètre Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre électromagnétique ! 2001-2002 tests faisceaux 0,44% 245.6 GeV 19 Module P13 2008-2009 muons cosmiques dans ATLAS <1%

10 septembre 2008 : Premier faisceau ! 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Installation Cosmiques LHC 10 septembre 2008 : Premier faisceau ! 23 novembre 2009 : Premières collisions ! Performances en résolution, linéarité et uniformité du calorimètre seul connues Très bon accord données/MC sur les formes de gerbes par compartiment Description de la matière dans le MC  Performances du même niveau dans ATLAS 0

Energie manquante dans les collisions sur des données de biais minimum 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 RD3 Présérie Construction Installation Cosmiques LHC Energie manquante dans les collisions sur des données de biais minimum Le calorimètre électromagnétique est aussi un élément essentiel dans la reconstruction de l’énergie des jets et de l’énergie transverse manquante

Pourquoi une nouvelle physique ? Problème de la masse du Higgs dans le Modèle Standard Corrections radiatives m : h h h h h La correction à la masse du Higgs est de l’ordre de l’échelle de coupure de la théorie Problème de hiérarchie du Modèle Standard Or : mh ~ 100 GeV et au LHC,  > TeV Solutions : Absorber divergences dans mh,0. Réglage fin (non naturel) Nouvelle théorie : Nouvelles particules compensant les divergences. Ex : Supersymétrie = 0

La supersymétrie (SUSY) Fermions Bosons u up c charm t top  photon Quarks d down s strange b bottom Z boson Z Supersymétrie = symétrie entre fermions et bosons À chaque particule du Modèle Standard est associée un partenaire supersymétrique identique, sauf spin ±1/2 e neutrino electron  neutrino muon  neutrino tau Electroweak W boson W Leptons electron e  muon  tau g gluons Strong Motivations théoriques La masse du Higgs est stabilisée en évitant un réglage fin Unification possible des constantes de couplage à grande échelle Particules supersymétriques Non encore observées Masses différentes des particules du Modèle Standard La supersymétrie est donc brisée. Mais m(SUSY) < 1 TeV pour pouvoir compenser les divergences h Higgs Modèle Standard Modèle Standard Supersymétrique Minimal Bosons Fermions     H Higgs A Higgs H± Higgs u sup c scharm t stop  neutralino Squarks   2 doublets de Higgs   d sdown s sstrange b sbottom  neutralino     neutralino  neutralino  chargino  Electroweak e       chargino sneutrino electron sneutrino muon sneutrino tau selectron Sleptons    e  smuon  stau  g gluinos Strong   SUSY Visible au LHC !

Les modèles supersymétriques MSSM = Modèle Standard Supersymétrique Minimal Le MSSM contraint (CMSSM) Hypothèses d’unification à grande échelle (GUT) Supersymétrie brisée Exemple : couplage gravitationnel, mSUGRA 5 paramètres : m0, m1/2, A0, tan et signe de  Le MSSM phénoménologique Pas d’a priori sur le comportement à grande échelle 105 paramètres… + ceux du MS Réductible à ~20 (sans CP, FCNC, …)  équations d’évolution  TeV GUT m0 : masse unifiée des scalaires m1/2 : masse unifiée des gauginos A0 : couplage trilinéaire unifié tan : rapport des vav des 2 doublets de Higgs  : paramètre de masse des higgsinos

Découvrir la supersymétrie au LHC Création de paires squarks, gluinos Désintégrations en cascades jusqu’à la LSP (Particule SUSY la plus légère stable) l q g ~ c20 c10 p m0=100 m1/2=300 A0=-300 tan=6 sgn>0 Signature expérimentale remarquable : jets + ET + (leptons) @ 14 TeV Productions de particules SUSY au LHC ~ 1 pb  découverte possible au LHC à partir d’1 fb-1

Observables supersymétriques au LHC À partir des cascades reconstructions de seuils cinématiques en fonction des masses e+e-, +- l q g ~ c20 c10 p e+-, +e- = (80.94 ± 0.042 ± 0.08) GeV

Un point de référence : SPS1a m0=100, m1/2=250, A0=-100, tan=10, sgn>0 SPS1a : un point mSUGRA de référence, étudié depuis 9 ans Mesure principale, seuil di-leptonique : Sélection de 15 observables au LHC pour 300 fb-1 @ 14 TeV LES : incertitude sur l’échelle d’énergie des leptons (0.1%) JES: incertitude sur l’échelle d’énergie des jets (~1%) Déterminer le modèle sous-jacent  SFitter

Mesurer la supersymétrie : SFitter SFitter : Les Houches 2003, R. Lafaye, T. Plehn, M. Rauch, D. Zerwas Modèle théorique SUSPECT, SUSYHIT, micrOMEGAs,… spectre de masse, BR SUSY+Higgs, densité relique, … Observables Prédictions Calcul de vraisemblance en fonction des paramètres du modèle Résultats Techniques Liste des maximums de vraisemblance Carte de vraisemblance en fonction des paramètres du modèle et des prédictions des observables Balayage de l’espace des paramètres Chaines de Markov + MINUIT Traitement des incertitudes Schéma RFit (à la CKMfitter)

Les chaînes de Markov Modèles théoriques de plus de 20 paramètres Balayage de type grille très inefficace dépend de (nombre de pas)nombre de paramètres Méthodes de type Monte Carlo préférables dépend de la complexité du potentiel Chaines de Markov : Le point n+1 dépend de la valeur des potentiel (~1/vraisemblance) Vn+1 et Vn La densité de points testés est fonction de V A priori indépendant du nombre de paramètres Exemple de résultats : Liste ordonnée des minimums de V V: potentiel ~ 1/vraisemblance Point candidat n+1 choisit si : soit Vn+1<Vn soit probabilité pour Vn+1>Vn : V valeur du paramètre Carte du minimum de V (sur tous les paramètres-2) en fonction de 2 paramètres 6 3 5 1 4 3 2 6 4 5 2 1

Traitement des incertitudes RFit : A. Höcker, H. Lacker, S. Laplace, F. Lediberder Incertitudes théoriques = aucune information dans la zone théorique permise distribution plate et de limites finies «  Une erreur théorique ne peut pas être arbitrairement grande si la théorie est perturbative ! » En dehors de la zone prédite la vraisemblance est décrite par les incertitudes expérimentales Lmax Lmax Incertitude expérimentale seule avec incertitude théorique zone prédite xexp-xth xexp-xth

Extraction des paramètres SPS1a pour le CMSSM Liste des maximums de vraisemblance Ajustement avec MINUIT autour du maximum principal SPS1a Δexp seuils Δexp+th seuils m0 100 0.5 2.2 m1/2 250 0.7 2.6 tanβ 10 2.5 A0 -100 21 50 Carte du maximum de vraisemblance en m0, m1/2 Sign(μ) fixed LHC 300fb-1 @ 14 TeV Bonne détermination des paramètres, mais : hypothèse d’unification à une échelle non explorée !

Extraction des paramètres du MSSM au TeV Espace de 19 paramètres  16 solutions de vraisemblance équivalente Solutions permutées en M1, M2, M3 et  (paramètres de masse des gauginos et higgsinos) Peu de sensibilité sur tan Carte du maximum de vraisemblance en M1, M2 Lmax tan = 4.5 (exp+th) 2

MSSM : depuis le TeV jusqu’à 1018 eV  équations d’évolution  Départ : paramètres déterminés à l’échelle du TeV Equations d’évolution à plus haute énergie J.L. Kneur + SFitter Largeur des bandes = incertitudes Solution 1 compatible avec unification Autres solutions : pas d’unification «  SPS1a » M1 : binos, M2 : winos, M3 : gluinos 1/M Inversion M1, M2 Hiérarchie correcte au TeV !

SUSY au LHC, mais pas seulement (Alexander, Kreiss, Lafaye, Plehn, Rauch, Zerwas; Les Houches 2007, Physics at TeV Colliders) Moment magnétique anomal du muon Anomalie mesurée par E821 (BNL) : Prédiction du Modèle Standard : Plus de 2 d’écart (selon les prédictions) Si SUSY est découverte au LHC : La déviation de g-2 est elle compatible ? g-2  tan et sign Ajustement global E821 + LHC tan = 2.0 au lieu de 4.5

SUSY au LHC et au FNAL aussi… Hawaii Octobre 2009 : «  The New Muon (g-2) Experiment at Fermilab » Dinko Pocanic New g-2 Old g-2 LHC 300 fb-1 (SFitter) 2s 1s Avec le soutien de SFitter …