Marine Kuna sous la tutelle de Fabrice Hubaut Préparation de l’analyse des données d’ATLAS auprès du LHC : Identification des électrons Marine Kuna sous la tutelle de Fabrice Hubaut

Le Large Hadron Collider Collisionneur proton-proton circulaire (ancien site du LEP) Énergie dans le centre de masse : s = 14 TeV Luminosité nominale : 1034 cm-2 s-1 Premières collisions prévues pour l’été 2008 4 expériences : Alice, LHCb, CMS et ATLAS Formidable ouverture de l’espace des phases Z’ (1TeV) Higgs (500GeV) Collisions inélastiques Tevatron (10 fb-1 ) 10 10 15 LHC 100k 10k

Intérêt de la maîtrise de l’objet électron Signal noyé dans le bruit hadronique : utilité des leptons, objets simples Intérêt d’un électron isolé : nombreux canaux pour la calibration (Modèle Standard) et découverte (Higgs, Nouvelle Physique) MS ge+X NP ~ Z’ee Higgs Zee H  ZZ 4e Weν H  WW  lν lν _ tte+X Identification des électrons Calorimètre électromagnétique

Trajectographe interne Le détecteur ATLAS Généralités L ~ 44 m,  ~ 22 m 7000 tonnes Trajectographe interne (silicium + Trajectographe à Rayonnement de Transition) Solénoïde Calorimètres électromagnétique & hadronique p Spectromètre à muons Aimants toroïdaux Système de déclenchement 3 niveaux  rejet en ligne ~107 1 GHz 75 kHz 2 kHz  200 Hz En particulier : déclenchement sur les électrons isolés.

Tonneau des calorimètres Bouchon des calorimètres

Le calorimètre électromagnétique >22 X0   Calorimètre à échantillonnage Plomb/ Argon liquide (90 K) Géométrie en accordéon  herméticité azimuthale parfaite Couverture angulaire : ||<3.2 Épaisseur suffisante Grande granularité via une segmentation longitudinale et transverse 175 000 canaux PS (||<1.8 )  évaluation des pertes en amont S1 (0.003x0.1)  mesures de position, séparation γ/π° S2 (0.025x0.025)  dépôt d’énergie principal S3 (0.05x0.025)  queues de haute énergie

Variables d’identification Association entre dépôt calorimétrique et trace E/p, Δη, Δφ calorimètre électromagnétique S1 S2 S3 calorimètre hadronique 1er compartiment variables hadroniques Fuites hadroniques variables de S2 Largeur de la gerbe Variables de S1 Trajectographe à Rayonnement de Transition Détecteurs au silicium Variables de traces Nombre de coups dans les détecteurs, paramètre d’impact Variables du TRT Nombre de coups de haute énergie / nombre de coups total électron jet z r

Exemple : variables calorimétriques (S2) électrons (Z->ee) jets (dijets) Jets  gerbes + larges Variables liées à la largeur du dépôt calorimétrique 0.8 0.0140 E237/E277 : énergie 3*7/énergie 7*7 weta2 : largeur de la gerbe

Dépendance en η des variables d’identification Exemple de profil : largeur latérale de la gerbe en fonction de η fin du détecteur interne & fin de la grande roue fin des TRT & changement de granularité dans S1 crack passage du barrel aux end-caps |η| = 2.47 |η| = 2.0 1.35< |η| <1.50 fin du presampler & changement de granularité dans S1 changement de granularité dans S1 |η| = 0.8 changement de fraction d’échantillonnage |η| = 2.35 |η| = 1.8

Efficacité d’identification des électrons Zee Total calorimètre Eff. Electron Total efficacité de chaque groupe de coupures efficacité cumulée h cuts had S2 S1 Calo ID Match TRT All Coupures  L’efficacité d’identification des électrons issus de Z est de 90.0% ±0.3% pour le calorimètre seul et de 59.3% ±0.5% avec toutes les coupures

Incertitudes systématiques : influence de l’ajout de matière Objectif : - estimer les effets dus à l’incertitude sur la quantité de matière Outil : - ajout artificiel dans la simulation de matière sur l’hémisphère φ>0 du détecteur interne η X0 2 1 φ >0 φ <0 Épaisseur (X0)

Incertitudes systématiques : influence de l’ajout de matière φ>0 φ<0 Eff. Electron ~1.5% Plus la quantité de matière traversée est importante plus la reconstruction des traces est difficile Φ>0 : 89.5%±0.4% Φ<0 : 90.5%±0.4% => ~1% de différence h cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All Coupures  58.4%± 0.7% d’efficacité totale pour φ>0, 61.6%± 0.7% pour φ<0  Les effets de l’ajout de matière dans le trajectographe induisent une perte de ~3% sur l’efficacité totale à cause des coupures sur la qualité des traces.

Incertitudes systématiques : identification pour divers évènements Influence des caractéristiques cinématiques de l’électron (≠ spectres en Pt et en η) et de l’environnement hadronique Wen tte+X H (130 GeV)  4e ge+X (SU3) Z’ (2TeV) ee _ MS ~ NP

Influence de la cinématique Z vs Z’ efficacité des électrons Z efficacité des électrons Z’ Influence de la cinématique Z vs Z’ Efficacité calo : Z’ : 92.6±0.4% Z : 90.0±0.3% Efficacité totale : 60.0±0.8% pour Z’ 59.3±0.5% pour Z 0.35 Électrons de Z’ + énergiques => développement de la gerbe + tardif => gerbe moins large dans S1 Zee Z’ee E/p moins bon car p moins bien reconstruit dans ID (car grand Pt) 2.5 0.9 Zee Z’ee ΔPt/Pt Efficacité h cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All Coupures  Différences d’efficacité sur chaque variable s’expliquent par les différences de spectre  Les efficacités totales ne sont proches que par le jeu de compensation

Comparaison entre les évènements _ ~  Etude similaire effectuée pour Weν, tte+X, H4e, et ge+X Efficacité totale - ~ Z W H Z’ tt g Moins de 5% de différence Important de le prendre en compte (mesure de l’efficacité sur les données à partir du Z)

Mesure de l’efficacité d’identification avec les données Zee La méthode Tag & Probe électron tag Coupure sévère (tight) événement N loose Coupure lâche (loose) = coupure sévère – la coupure dont on veut mesurer l’efficacité Coupure sévère (tight) Efficacité coupure = Ntight/Nloose électron probe N tight Il ne doit pas y avoir de corrélation entre la coupure étudiée et la coupure lâche. Il faut un lot d’électrons purs. Pour cela, on utilise la masse invariante du Z.

Sélection sur la masse invariante de deux électrons Rapport bruit sur signal dans la fenêtre [80 GeV-100 GeV] ~1.5% Zee dijets total Nombre d’événements par fb -1 Mee (GeV)

Mesure de l’efficacité d’identification avec les données Eff. Electron efficacité mesurée sur les données efficacité « vraie » h cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All Coupures  Bon accord (qqs pourmilles) auquel on devra ajouter une incertitude due au bruit de fond

Extrapolation de la mesure aux autres événements Efficacité efficacité mesurée sur Zee puis extrapolées efficacité « vraie » - ~ Z W H Z’ t t g

Conclusions Identification des électrons fondamentale au LHC Études Monte-Carlo : efficacités Zee de 90% (calo) et 59% (total) Incertitudes Systématiques (robustesse de l’identification) Ajout de matière de 15% => variations efficacité <3% Influence de la cinématique de l’événement (η, Pt ) => variation efficacité totale < 5% Préparation à l’analyse des 1ères données Variables et coupures doivent être optimisées/simplifiées Méthode de mesure de l’efficacité sur les données Zee : bon accord avec la vérité, extrapolation aux autres événements Mon travail :

Perspectives Rester dans l’optique des 1ères données : Participation à un exercice en cours dans ATLAS : simulation de 18 pb-1 de vraies données Mesure de la section efficace de production du Z : exploiter les compétences acquises => inclure déclenchement Approfondir ma connaissance du calorimètre EM Nécessaire pour utiliser les électrons comme sonde pour la nouvelle physique ATLAS complètement installé: muons cosmiques en cours d’acquisition Me tenir prête pour l’arrivée des 1ères données du LHC !

SPARES

Le Large Hadron Collider Ouverture de l’espace des phases

Calorimétrie d’ATLAS h=0 h=1.4 h=3.2 h=4.9 Calorimètre électromagnétique h=0 h=1.4 h=3.2 h=4.9 Calorimètre hadronique Calorimètre avant Bouchons du calorimètre hadronique

Variables calorimétriques (hadro) Distributions des variables illustrées dans le barrel pour 0<|η|<0.8 Pas de dépôt hadro pour les électrons électrons (Z->ee) jets (dijets) 0.018 Fuites hadroniques (Ethad1/Et37)

Variables calorimétriques (S1) electrons (Z->ee) jets (dijets) Emax2/(1000+0.009*Et37) 0.25 0.15 2e max-min d’énergie  Le second maximum d’énergie déposé dans S1 doit être inférieur à une limite dépendant linéairement de l’énergie transverse ΔE ~ 0 pour électrons ΔE ≠ 0 pour π° 0.8 Largeur de la gerbe sur 3 strips Largeur totale de la gerbe 4. 0.35 Forme du cœur de la gerbe

Variables d’association entre dépôt calorimétrique et trace Une trace doit être associée plus précisément au dépôt calorimétrique. 2.5 0.9 E/p électrons (Z->ee) jets (dijets) Pour un électron E/p~1 -0.02 0.02 0.005 -0.005 Δφ Δη

Variables de trace (détecteur interne) electrons (Z->ee) jets (dijets)  au préalable association lâche : on veut qu’une trace corresponde a peu près au dépôt calorimétrique 1 1 Nombre de coups dans la couche du b Nombre de coups dans le détecteur à pixels 9 1. Nombre de coups dans le détecteur à pixels + SCT Paramètre d’impact transverse (cm) -> Les coupures sont là pour assurer une qualité de la trace plus que pour discriminer.

Variables du détecteur interne : variable du TRT Présence d’un rayonnement de transition pour les électrons, pas pour les π 0.1 Moyennes e : 0.19 Jets : 0.11 électrons (Z->ee) jets (dijets) Nombre de coups de haute énergie dans le TRT sur nombre de coups total dans le TRT

Efficacité des électrons de ge+X 1 3 2 4 h cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All Coupures Les différences vont presque toutes dans le même sens : l’efficacité d’identification des électrons de Z’ est meilleure que celle de Z

Spectres pour ge+X Pt vrai (GeV) η vrai Zee Zee ge+X ge+X Moyenne Z : 36 GeV g : 66 GeV Zee ge+X Zee ge+X Pt vrai (GeV) η vrai

Efficacité des électrons de ge+X Les électrons de Z’ étant + énergiques leur gerbe commence plus loin dans le calorimètre et ils sont moins larges dans S1 1 : S1 0.35 Zee ge+X =>On coupe plus d’électrons de Z que d’électrons de g

Efficacité des électrons de ge+X Il est plus difficile de reconstruire les traces des électrons les moins énergétiques (Z) 2 : traces Zee ge+X 9 9 =>On coupe plus d’électrons de Z que d’électrons de g

Efficacité des électrons de tte+X 1 2 3 h cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All Coupures

Efficacité des électrons de H4e 1 2 3 h cuts had S2 S1 Calo ID Match. TRT All Coupures