La physique du Higgs à l'ILC avec un détecteur de nouvelle géneration Marcel Reinhard LLR – Ecole Polytechnique JRJC 09-15/12/07

Sommaire L'ILC Exigences du détecteur Particle Flow Analysis Les concepts des détecteurs La collaboration CALICE Le prototype ECAL Si/W – tests en faisceau - performance Clustering des photons Application pour mésurer la violation CP dans le sécteur du Higgs

Collisions e+ e- à ECM = 0.1 - 1 TeV Longeur total : 31km 2 détecteurs avec une seule IR (14 mrad) Calendrier (motivé par la technologie): proposition de construction en 2010 début de construction en 2012 fin de construction en 2019

Le LHC L'ILC Pionnier, spectre en énergie inégalé collision q-q, q-g et g-g à 0.5 – 5 TeV état initial quasiment inconnue L'ILC 2ème perspective à haute précision colisions e+ e- à une énergie fixe, ajustable entre 0.1 et 1 TeV état initial bien défini

Exigences du détecteur Le plupart des états finaux à l'ILC sont des états multi-jets la résolution en énergie pour les jets et la cléf pour la physique à l'ILC Le meilleur au LEP (ALEPH): σE/E= 0.6(1+|cosθJet|)/√E(GeV) Mais à l'ILC: σE/E= 0.3/√E(GeV) e+e– 4 jets e+e-  ZZ ou e+e-  WW ? E/E = 0.6/E E/E = 0.3/E aussi pour tous les ef où on veut faire la difference entre Z->qq et W->qq

Particle Flow Analysis Comment obtenir la meilleure mesure des jets? Résolution sur l'impulsion (tracker) meilleure que celle sur l'énegie (calorimètres) reconstruction des impulsions des particules individuelles sans double- comptage entre tracker et calorimètre particules chargées (~60%) : tracker photons (~30%) : ECAL hadrons neutre (~10%) : E + HCAL σjet2= σx±2+ σγ2+ σh02+ σconfusion2 + σseuil2 +… La résolution en énergie pour les particules individulelles n'est pas le facteur dominant de la resolution des jets Granularité est + important que la résolution en énergie

Les concepts de détecteur PFA SiD LDC GLD Compensation (Dual R-O) ILD LoI: 2008, EDR: 2010 Optimisation du détecteur (dépandant de l’algorithme de PF), par ex: Rayon TPC ↔ B Profondeur HCAL Granularité, technologie HCAL/ECAL 4ème

13 pays, 45 laboratoires, 225 physiciens/ingenieurs 36cm 13 pays, 45 laboratoires, 225 physiciens/ingenieurs ECAL de 80 106 canaux (1000 fois plus que celui de CMS) HCAL à tuile de 3x3 cm où à gaz avec des pads de lecture de 1x1 cm (10 à 100 106 canaux) ECAL Prototype Module ECAL 1er proto. EUDET nombre de canaux 9720 45 360 Taille 36 x 36 154 x 54 Tungstène 200 700 électronique VFE externe interne

Le prototype ECAL Si/W 6x6 1x1cm2 Si pads collés sur PCB 62 mm 60 PCBs (30 couches) 216 canaux/PCB (centre) 108 canaux/PCB (partie basse) 9720 canaux en total (+ que LHCb) structure de W drapé en fibre de carbone 3 modules avec largeur de W different, 24 X0 en total couche active de Si imbriqué: PCB+Si+W+Si+PCB, 2 couches = 8.5mm 200mm 360mm 62 mm 6x6 1x1cm2 Si pads collés sur PCB

Tests en faisceau TCMT HCAL ECAL

Tests en faisceau Interaction d’un pion de 10 GeV TCMT AHCAL ECAL

pi à 45 GeV Run 300593 Ev 4651 µ + pi à 45 GeV Run 300593 Ev 4750 pi à 80 GeV Run 300715 Ev 2415

Quelques résultats préliminaires (2006) S/N =7.5 MIP signal = 45.5 ADC counts/MIP RMS = 1.9 ADC counts 9/6480 dead=0.14% Données e- Linearité à ≤ 1% (DESY/CERN) Noise = 6 ADC counts From pedestal width Résolution E/E=17.13/√(E/GeV)©0.54%

Clusterisation des γ Première étape dans une analyse de Particle Flow est l’identification et la clusterisation des γ Haute granularité de l’ECAL donne une image précise de la gerbe e-m Simple critère de voisinage est suffisant pour reconstruire les gerbes! Utiliser un jeu de variable pour décider si le cluster vient d’un γ En même temps: amélioration de la résolution en énergie (suppression des fluctuations/bruit) Aide au nettoyage des données (contamination hadronique du faisceau, interaction dans les triggers, évennements double)

Clusterisation des γ e- à 30 GeV néttoyage des événements séparation transversale

Clusterisation des γ: Performance MC (preliminaire) Tous les hits Cluster Introduire facteur de correction pour garder la linéarité ≤ 1 GeV: utiliser comptage ΔE/E=16.35/√(E/GeV)©0.61% ΔE/E=16.12 /√(E/GeV)©0.63% Pour les données de tests: nettoyage naïf (1 seul cluster trouvé) dégrade trop la statistique → variables discriminantes doivent être fixées pour rejeter faux clusters

Proprietés CP du Higgs à partir des corrélations de spin dans H → τ+τ- MH connue Produit par Higgsstrahlung: e+e-→ ZH L’état de spin des 2τ est: 1/√2 [ |+ −> + eiξ |− +> ] SM Higgs: CP=+1 avec couplage g(cos+i sin5)H → ξ = 2  (en négligant m2 / mH2 ) Corrélation des spins: Czz = −1 Cxx = Cyy = cos ξ = cos 2 Cxy = −Cyx = sin ξ = sin 2 CP conservé: =0 ou  _

τ±→ρ± ν(ν), ρ±→ π±π0, π0→ γγ _ Distribution des désintégration: W(Δφ) = [1-(2/16) cos(Δφ-2ψ)]/2 avec Δφ=φ+-φ- (angle entre les 2 plans crées par la direction du τ – et celle du ±) Réconstruction du τ dans le laboratoire ^  sur le cône () autour de ρ  dans le plan defini par V et la trajectoire du  Si E± sont conues, reconstruction possible (2 solutions) ρ _ _ ψ = 0, /8

Conclusion Tests en faisceau pour hadrons à basses énergies Détermination de l’amélioration de la résolution en énergie par le clustering (données 2007) Implémentation pour LDC/ILD Intégration dans un algorithme de Particle Flow Analyse du canal physique avec la possibilité d’extension (ψ non-intrinsique, permet τ±→π± ν(ν) ) En fonction des proprietés du détecteur _ Dec 11, 2007: “UK pulls out of plans for ILC” http://physicsworld.com/cws/article/news/32163

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 - modes de desintégration B.R. E.M. R.C. _   e   18 % **** *      18 % **** *     11 % **** ****     26 % **** ***   a1  10+10 % *** ** …… 7 % _ Pour une mesure des corrélations de spin, on a besoin de la reconstruction cinématique et de l’élément de matrice de la désintégration

τ±→ρ± ν(ν), ρ±→ π±π0, π0→ γγ W=[ 1 + S.â ]/8 _ τ±→ρ± ν(ν), ρ±→ π±π0, π0→ γγ Distribution des désintégration: W=[ 1 + S.â ]/8 où ai = N [2(q.pν)qi-(q.q)pνi] avec q=p-p0 → W1(Δφ) = [1-(2/16) cos(Δφ-2ψ)]/2 avec Δφ=φ+-φ- (angle entre les 2 plans crées par la direction du τ – et celle du ±)