Recherche et étude de la désintégration du boson de Higgs dans le canal en 4 électrons dans l’expérience ATLAS Fany Dudziak Directeurs de thèse : L. Iconomidou Fayard, RD. Schaffer Journées Jeunes Chercheurs 2008

Plan Le LHC : expériences, physique recherchée, le Higgs Le détecteur ATLAS, son calorimètre L’analyse Higgs en e+e- e+e- dans ATLAS Les électrons dans ATLAS, le Bremsstrahlung et les bas Pt. Comment améliorer l’efficacité de reconstruction? Perspectives à court et long terme

L’équipe ATLAS du LAL Le LAL (Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire) est une UMR située sur le campus d’Orsay de l’Université Paris Sud. On y étudie la physique des particules et des neutrinos, la cosmologie et les astro-particules. L’équipe ATLAS au LAL se compose aujourd’hui de 36 membres dont 8 doctorants et 2 post docs. Activités du groupe: Historiquement : Participation à la conception du calorimètre électromagnétique et de son électronique, puis à sa construction Aujourd’hui : Suivi de la stabilité de l’électronique du calorimètre Physique: recherche du boson de Higgs dans différents canaux de désintégration, recherche de SuperSymétrie. Grosse contribution dans le software de l’expérience Mesure de la luminosité au LHC R&D Super LHC

Le LHC LHC = Large Hadron Collider, situé au CERN près de Genève. LHC : collisionneur p-p de : -> 27 km de circonférence,7 (5) TeV par faisceau  14 (10) TeV dans le centre de masse. -> luminosité: 1ère phase : 10 fb-1/an 2ème phase 30 fb-1/an 4 expériences : ATLAS CMS LHCb Alice LHCb Alice ATLAS CMS Expériences généralistes (recherche du Higgs, SUSY…) Violation CP, physique des b Etude du plasma quarks-gluons (ions lourds)

La Physique dans ATLAS et CMS Mécanisme de Higgs pour faire apparaître la brisure de symétrie électrofaible et la masse des particules élémentaires dans le MS Boson de Higgs pas encore observé. Il existe des contraintes sur la masse du Higgs: contraintes directes données par le run 2 de LEP :  mH > 114 GeV. Contraintes indirectes données par ajustement des paramètres du Modèle Standard (mesures de précision : mt, mW; corrections radiatives …) mH < 154 GeV à 95% de C.L Physique au-delà du Modèles Standard : SuSy, Extra-dimensions….

Le Boson de Higgs au LHC Le Higgs sera produit au LHC via essentiellement la fusion de gluons et la fusion de bosons vecteurs (VBF) Le Boson de Higgs se couple préférentiellement aux particules les plus lourdes Limite 114 GeV Les différents canaux de désintégration par lesquels on pourra rechercher le Higgs standard et l’étudier sont: H  bb H  ττ H  γγ : H  ZZ(*)  4l H  WW(*)  2l2ν ….. Le canal en 4 leptons couvre une grande région en masse à partir de ~130 GeV

Le détecteur ATLAS ATLAS : A Toroïdal LHC ApparatuS, détecteur cylindrique de 44 m de long et 22 m de large. Il est composé de : Un détecteur interne de traces Un aimant solénoïde de 2T Un calorimètre électromagnétique Un calorimètre hadronique Un aimant toroïdal de 0.5T dans le tonneau et 1T dans les bouchons Un spectromètre à muons La collaboration : 1900 physiciens de 35 pays venant de 164 universités et laboratoires → travail d’équipe.

Le calorimètre électromagnétique (1) ATLAS a choisi la calorimétrie à Argon liquide pour sa tenue aux radiations (stabilité de la réponse et calibration « facile ») Calorimètre à échantillonnage plomb argon liquide : Alternance de couches d’absorbeur en plomb et d’électrodes baignant dans l’argon liquide le tout en forme d’accordéon Bonne résolution : (Geant 4) Particule incidente Repère utilisé :  angle dans le plan orthogonal à l’axe du faisceau  = -ln(tan(/2)) pseudo rapidité

Le calorimètre électromagnétique (2) 3 Compartiments 1. Strips : granularité fine pour rejeter les π° 2. Middle : le plus grand compartiment, sert à mesurer la majorité de l’énergie 3. Back : permet de mesurer le reste du dépôt et de rejeter les jets Bonne granularité, segmentation (pointing des particules neutres) Segmentation du calorimètre Middle + pré-échantillonneur  évaluer les pertes d’énergie avant le calorimètre Strips Back

L’analyse Higgs en 4 électrons (1) Processus H  ZZ*  e+e- e+e- 4 e avec Pt > 5 GeV et |η| < 2.5 sans dépôt dans le calorimètre hadronique Isolation Calorimétrique Isolation de traces Reconstruction du vertex Pour rejeter les jets e+ e- e+ e- Z |(mZ)mes - (mZ)| < 15 GeV Z(*)  Résonance?? mH NB : Quand on reconstruit la masse invariante : soit on trouve une résonance => 4e viennent de la même particule soit on trouve un continuum

Bruits de fond au Higgs en 4 électrons Bruits de fond pour le canal : Irréductible : ZZ* 4e, principale source de bruit  Même signature que le signal Réductible : Zbb  e+e- + 2(b->e+…) tt  2e + 2(b->e+…) Zjj Réductible avec une bonne isolation des électrons 1 evt(H4l)/fb-1 à 130 GeV

Efficacité de reconstruction des électrons Pt (GeV) |η|  Pertes importantes d’efficacité à bas Pt et à grand η : problématique pour la recherche du Higgs si sa masse est petite Pour un Higgs de 130 GeV Beaucoup d’électrons ont un Pt < 15 GeV

Pertes d’efficacités pour les électrons de bas Pt But : - identifier les causes de pertes d ’efficacité à bas Pt - chercher des moyens de récupérer ces électrons. Pertes à bas Pt : dues au Bremsstrahlung : - électron tourne + - P + difficile à estimer Cas idéal Trace loin du dépôt électromagnétique Fort élargissement du dépôt d’énergie perte de la trace quand le rayonnement emporte trop d’énergie  électron reconstruit comme un photon Perte de qualité Perte de trace

Le rayonnement Bremsstrahlung dans les évènements H4l Pour un Higgs de 130 GeV Les électrons peuvent perdre beaucoup d’énergie en rayonnant η Fraction d’énergie rayonnée |η| !!! La quantité de brem rayonnée est proportionnelle à la quantité de matière en amont du calorimètre

Electrons reconstruits comme photons (1) Dépôt γ Dans un échantillon H4e à 130 GeV - 100 électrons générés - 85 reconstruits - 15 manquent dont 14 trouvés en tant que photons (convertis ou non) Trace mal reconstruite ~14% de perte d’efficacité due à cette mauvaise identification.  Création d’un outil : récupération des électrons identifiés comme photons ΣEγi/Ee(gen) η

Outil de récupération des électrons Recette: Chercher une trace en face du dépôt d’énergie Recalibrer le cluster comme un électron (e et γ calibrés différemment) Impact de l’outil sur la reconstruction : (évènements H4e à 130 GeV) +6.5% d’électrons reconstruits η electrons Pt electrons Ereco/Egen  Récupération d’électrons de bas Pt et de grand η

Effet du brem sur les coupures standard Dépôt em élargi Le brem élargit les gerbes em suivant φ (champ magnétique) Δφ(tr-cal) : différence entre le φ mesuré au calorimètre et le φ mesuré par la trace, extrapolée au calorimètre: impulsion trop faible /E Δφ(cal-trk) Trace a trop tourné Δφ(tr-cal) Pt(GeV) 7% 1% coupure

Electrons rejetés par les coupures standard à cause du brem Solutions : Redéfinir de Δφ par une extrapolation qui utilise l'énergie calorimétrique au lieu de l'impulsion mesurée de la trace (=> E est mieux mesuré en cas de Brem)  On s’affranchit du brem (du P mal estimé) Bruit de fond jets : - Distribution de base élargie (dépôt + gros pour les jets) - Nouvelle distribution permet une bonne réjection car plus large

Conclusion et perspectives Etude de l’effet de ces nouvelles coupures sur le bruit Etude de l’impact de ces nouvelles coupures sur la reconstruction des évènements Higgs en 4 leptons. Améliorer de façon générale l’efficacité de reconstruction des électrons

Les détecteurs de traces Composé de plusieurs détecteurs: 1) Le détecteur à Pixels : identification des vertex secondaires (quarks b) Dont une couche très près du faisceau (b-layer) : 2) Le SCT à piste de silicium (Semi Conductor Tracker, 4 couches) 3) Le TRT (Transition Radiation Tracker ) : Donne l’angle, la direction des particules mais reconstruit mal l’impulsion à cause des effets de matières.