La reconstruction des électrons dans CMS C. Charlot, LLR C. Charlot / LLR

2 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Plan de la présentation Motivations Le d é tecteur CMS La reconstruction des agr é gats La reconstruction des traces é lectrons Classes d ’é lectrons et estimation de l ’ impulsion Identification des é lectrons Syst é matiques associ é es à la reconstruction des é lectrons Conclusions et prospective

3 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Motivations physiques Recherche du Higgs SM: H  ZZ (*)  4e, H  WW (*)  2e2 MSSM: A/H  0 2  0 2  4e+E T miss Supersym é trie Production de squarks et gluinos, chaîne de d é sint é grations impliquant des jauginos, pic jacobien  0 2  e + e -  0 1 Nouvelles sym é tries, extra-dimensions Résonances au TeV, G  e + e - + X D é viation au Drell-Yan, pp  e + e - + X Processus du Mod è le Standard Bruit de fond pour la nouvelle physique: WW, ZZ, WZ Sources abondantes pour la calibration Canaux leptoniques => « propres » Excellente calorim é trie EM dans CMS pour les é lectrons A/H  0 2  0 2  4e+E T miss J. Phys. G : Nucl. Part. Phys. 34 H  ZZ (*)  4e+X J. Phys. G : Nucl. Part. Phys. 34 No 2 H  WW (*)  2e2 +X J. Phys. G : Nucl. Part. Phys.

4 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 La reconstruction des électrons p T (1)p T (2) p T (3)p T (4) m H =130 m H =180 m H =250 m H =450 Les é lectrons en principe c ’ est simple Agr é gat dans le calorim è tre Trace en correspondance Les é lectrons dans CMS sont plus compliqu é s É paisseur importante de mati è re devant ECAL Champ magn é tique fort Pour le calorim è tre, effet tr è s important à bas p T Et il y a (peut être) de la physique importante à bas p T Optimisation pr é c é dente pour les é lectrons de la calibration et HLT p T ~35 GeV/c e - le plus « mou » : p T ~10 GeV/c pour m H =130 GeV/c 2

5 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Le détecteur CMS MUON BARREL Silicon Microstrips Pixels ECAL Scintillating PbWO4 crystals Cathode Strip Chambers Resistive Plate Chambers Drift Tube Chambers Resistive Plate Chambers SUPERCONDUCTING COIL IRON YOKE TRACKER MUON ENDCAPS Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla HCAL Plastic scintillator/brass sandwich CALORIMETERS

6 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Le trajectomètre interne Enti è rement silicium (~200 m 2 ) Pixels: 3 couches + 2x2 disques ~ canaux |  |<2.5 (4 cm < r T <110 cm) Au total, ~13 points par trace TIB PX 100x150  m Occ. ~ PX TOB TIB TIDTEC

7 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Performances du trajectomètre  tk ~98%, |  |<2  IPL ~  m, p T >10  IPT ~10-25  m, p T >10  pT /p T ~0.5-2%, p T >10  

8 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Le calorimètre électromagnétique ~76000 cristaux PbWO4 Arrangement quasi-projectif en  et  Preshower devant les bouchons ~25 X 0, 0.9 R M X 0 =0.89 cm, 90% dans r=2.4 cm 4.5 p.e. / GeV (APD et VPD)

9 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Performances du ECAL 120 GeV R é solution 0.6% at 50 GeV

10 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 L’épaisseur de matériel Support(s) m é canique(s) câbles alimentation, sorties des signaux Refroidissement Au final 1/10 de la mati è re seulement constitu é e par les d é tecteurs Largement sous- é valu é lors des premiers dessins du d é tecteur  = 0  = 1.5 TP (1994) TDRs (1998) PTDR (2005)  =1  =2

11 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Le déclenchement sur les électrons Niveau 1 Objets EM isol é s/non isol é s L1em L2em L2.5e L3e mat é riel logiciel *Seuils revus r é cemment : baiss é pour le stream « double » de 14.5 à 12 GeV et suppression du stream double « relâch é » Niveaux HLT Niveau 2:  Reconstruction des agr é gats ECAL  Seuil E T : 26 GeV (simple), 12 GeV (double)* Niveau 2.5: recherche « hits » compatibles dans les couches pixels Niveau 3:  reconstruction compl è te de la trace à partir des « hits » pixels du niveau 2.5  Isolation trace et HCAL  compatibilit é E/p   agr é gat -  trace pour le tonneau  H/E pour les bouchons

12 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 La reconstruction des agrégats Plusieurs types d’algorithmes: Fenêtre glissante Electrons du faisceau test Photons non convertis Exploitation de la g é om é trie simple Algorithmes topologiques S é paration des gerbes proches G é om é trie plus complexe (bouchons) Algorithme “hybrid” pour la partie tonneau Fenêtre fixe en , dynamique en  Algorithme “island” pour les parties bouchons Topologique 1 seul param è tre = seuil sur le cristal graine Algorithme topologique: Agr é gation des cristaux à partir d ’ un cristal “ graine ” Ssi satisfaisant à un crit è re de compatibilit é avec la forme attendue pour une gerbe e.m. Cristal adjacent à un cristal d é j à pr é sent dans l ’ agr é gat Et d ’é nergie moindre

13 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Reconstruction des super-agrégats Bremsstrahlung 1 X 0 : = 0.368! ~10% des e - ont perdu >90% de leur é nergie initiale Dans le champ B, l’ é nergie est é tal é e en  Donc recherche d’agr é gat(s) autour de l ’ e - et correspondant au(x)  rayonn é s Algorithme “hybrid’ D é j à un algorithme de super-agr é gation Extension =  17 cristaux en  Algorithme “island” Recherche explicite d’agr é gats photons dans une bande en phi autour de l ’ agr é gat e -  max =  0.3  max = atan(- /  (1- 2 )) = R ECAL /2qr, r=E T /0.3B si h é lice parfaite si brem seulement (pas de conversions) E T agr é gat graine >1GeV e-, p T = 30 GeV/c

14 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Mesure de l’énergie Apr è s une premi è re estimation de l ’é nergie: E sa =  E cristal i, des corrections sont n é cessaires afin de remonter à l ’é nergie de la gerbe EM: Pertes dues aux espaces inter-cristaux et inter-modules Pertes lat é rales li é es aux algorithmes d ’ agr é gation Fuites longitudinales avant li é es au staggering des cristaux Fuites longitudinales arri è res Cristaux pathologiques Corrections n é cessaires afin de remonter à l ’é nergie de la particule au vertex: Pertes lat é rales li é e aux algorithmes de super-agr é gation Perte d ’é nergie en amont du ECAL due au mat é riau du trajectom è tre E corr = E sa. F(N cry ). f(  )

15 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Corrections des fuites latérales F(N cry ) : param é trisation des pertes lat é rales dues aux algorithmes d ’ agr é gation N cry est une mesure é vt par é vt de l ’ extension lat é rale agr é g é e Courbe universelle Pour un algorithme d’agr é gation donn é D é pend uniquement de la dimension des cristaux Taille lat é rale agr é g é e:  r 2 =N cry.  2  = dimension lat é rale cristaux Courbes :  f(r) 2  rdr de 0 à r(N cry ) pour  =2.5, 3, 3.5 cm Profil gerbe f(r) suppos é exponentiel

16 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Reconstruction des pré-traces Pilot é e par la reconstruction de super-agr é gats dans ECAL La cin é matique simple du bremsstrahlung permet de pr é dire la trajectoire de l ’é lectron avant bremsstrahlung Même technique que pour les é lectrons HLT (mais param è tres diff é rents)  2 è me couche)  z  è me couche)  10 mrad  0.07 cm  1 è re couche)  z  è re couche) e - : [-125;+75] mrad e + : [-75;+125] mrad  15 cm Reconstruction des agr é gats Propagation vers les couches de pixels et recherche de « hits » compatibles Si un hit est trouv é, estimation du vertex Propagation vers couche suivante

17 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Reconstruction des trajectoires eHLT (E T thr=1) FKF tracks eGSF (reg. seeding) Mod é lisation Bethe-Heitler de la perte d ’é nergie par bremsstrahlung Pas de coupure en  2 pour consid é rer un nouveau « hit » 2 nouvelles trajectoires au max par couche Traces KF e -, p T =10 GeV/c

18 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Reconstruction des trajectoires eHLT (E T thr=1) KF tracks eGSF (reg. seeding) e -, p T =10 GeV/c Mod é lisation Bethe-Heitler de la perte d ’é nergie par bremsstralung Pas de coupure en  2 pour consid é rer un nouveau « hit » 2 nouvelles trajectoires au max par couche Traces GSF eHLT (E T thr=1) FKF tracks eGSF (reg. seeding)

19 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Ajustement GSF En chaque point de la trajectoire, l’ajustement fourni une estimation des 5 param è tres de la trace pour chacune des composantes On utilise la composante de poid maximal plutôt que la moyenne pond é r é e 10 GeV p T Perte d’ é nergie par bremsstrahlung tr è s non-gaussienne Approximation de la pdf Bethe-Heitler par une somme de gaussiennes Chaque composante est propag é e par un KF standard  = à 10 GeV/c  = 0.6 mrad à 10 GeV/c

20 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Paramètres à l’arrière La reconstruction de trajectoires jusqu’au ECAL malgr é des changements de courbures importants permet: D’obtenir une mesure de l’ é nergie rayonn é e par l ’é lectron: p in -p out De tester l’accord trace-agr é gat entre les param è tres de la trace à l ’ arri è re et ceux de l ’ agr é gat « é lectron » E seed /p out p in -p out (GeV/c) Fraction bremsstrahlung: (p in -p out )/p in Energie rayonn é e (GeV) p out p in

21 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Les classes d’électrons Diff é rentes topologies trace/super-agr é gat sont observ é es par suite du bremsstrahlung dans le trajectom è tre Corrections doivent être adapt é es aux diff é rents cas Diff é rentes topologies => erreurs de mesure tr è s diff é rentes L ’ identification peut être optimis é e suivant la topologie « golden »« big brem »« showering » evt11pt35evt19pt10evt14pt10

22 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 La classification « électron » é lectrons « golden » * Pas de sous-agr é gat « brem » Fraction bremsstrahlung petite Bon E/p in Bon accord g é om. en  é lectrons « big brem » Pas de sous-agr é gat « brem » Fraction bremsstrahlung é lev é e Bon E/p in é lectrons « narrow » Pas de sous-agr é gat « brem » Fraction bremsstrahlung interm é diaire Bon E/p in é lectrons « showering » Sous-agr é gat « brem » identifi é ou mauvais E/p in E=5-100 GeV * principalement des é lectrons ayant peu rayonn é ou ayant rayonn é tard

23 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Corrections résiduelles É nergie perdue dans le trajectom è tre Irr é cup é rable Jusqu’ à ~7% à l ’ extr é mit é du tonneau Pertes lat é rales associ é es aux agr é gats de photons bremsstrahlung Pertes g é ometriques li é es à l ’ arrangement en escalier des cristaux Fraction d’ é nergie atteignant le ECAL  Param é trisation en fonction de  Suivant les classes d ’é lectrons E=5-100 GeV tonneau avant apr è s f(  )

24 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Estimation de l’impulsion Direction donn é e par la trace p comb donn é par E corr ou la moyenne pond é r é e de E corr et p rec Pond é ration de p rec par les erreurs issues de l’ajustement pond é ration de E corr par param è trisation des erreurs Suivant les classes é lectrons p=5-100 GeV/c toutes classes, tonneau ECAL Tracker Combined Gain par facteur ~1.4 en combinant avec le trajectom è tre É lectrons « golden » Distributions gaussiennes  /E = (2.5  0.3)%/√E  (0.197  0.007)/E  (0.52  0.01)% Semblable au testbeam!

25 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Définition des électrons et efficacité Trace GSF et super-agr é gat associ é En correspondance g é om é trique   = 0.02;  = 0.1 En correspondance en impulsion  E/p in < 3 V é to HCAL  H/E < 0.2 e - from H  ZZ (*)  4e -, m H =150 Efficacit é = fraction des é lectrons g é n é r é s associ é s à un é lectron reconstruit de même charge et ayant une direction au vertex compatible avec la direction g é n é r é e à l ’ int é rieur de  =  =0.05

26 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 pTepTe Isolation et sélection des e- primaires Cas physique: H  ZZ  4e -, m H =150 GeV/c 2 Param è tre d ’ impact transverse Isolation trace  p T traces /p T e Compl é t é e par une isolation hadronique p T traces > 1.5 GeV/c |  z| < 1 mm tttt IP/  IP L=2x10 33 cm -2 s -1 empilement inclus Rej.=20-30  =90-80% (R cône =0.25) p T traces Cône sym é trique en ( ,  )

27 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Identification des électrons Apr è s pr é -s é lection et isolation, on reste avec les bruits de fond: Vrais é lectrons de  Conversions  R é sonances bas p T, Dalitz decays Faux é lectrons  Superposition accidentelle   /  0  É change de charge Observables d’identification Accord des param è tres au vertex  E sa /p in,  in,  in Accord des param è tres à l ’ arri è re  E a /p out,  out Variables de forme de gerbe  E9/E25,  ,    H/E e - p T =5-50 vs jets p T =25-50, tonneau

28 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Identification des électrons La plupart des candidats reconstruits dans les é vts jets sont « showering » (topologies multi-agr é gats) Un meilleur rejet des candidats issus de jets est obtenu pour les « golden »  Facteur ~10 vis à vis reconstruction + pr é -s é lection Un meilleur rejet des candidats issus de jets est obtenu dans le tonneau é lectrons jets « golden »24%4% « showering »53%85% é lectron s jets « golden »17%2% « showering »69%96% tonneau bouchons * é vts QCD dijet pr é s é lectionn é s, 25<p T <50 GeV/c rejet sur « golden »9.0 « showering »7.3 rejet sur « golden »5.9 « showering »4.2 Fraction des candidats par classeRejet sur les jets*

29 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Systématiques: efficacité Efficacit é intervient dans le calcul des sect. eff. G é om. et de d é clenchement => Monte carlo Reconstruction et s é lection é lectron => avec les donn é es, e.g. Z  ee  Extrapolation dans domaine cin é matique diff é rent par Monte Carlo M é thode: Un des « bras » du Z est s é lectionn é de fa ç on strict et l ’ autre est utilis é comme sonde pour mesurer l ’ efficacit é en utilisant la contrainte de masse sur le Z « golden » pour le « bras » strict Permet de mesurer les efficacit é s de reconstruction des agr é gats, des traces et de l ’ identification ~1 33 (tonneau- tonneau) ~1 33 (tonneau- bouchon) ~2 33 (bouchon-bouchon)

30 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Systématiques: échelle d’énergie É chelle d ’é nergie importante car: Migration d ’é vts dans les distributions sur lesquelles on coupe Biais dans la reconstruction de la masse d ’ une r é sonance Corrections d’ é chelle d ’é nergie peuvent être control é es à partir des é vts Z  ee Forme de la correction f(  ) bien reproduite  Normalisation n é cessaire, vraissemblablement due à l ’é nergie des é lectrons du Z

31 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Systématiques: épaisseur de matériel Contrôle de l ’é paisseur de mat é riel mise dans le MC avec les donn é es MC n é cessaire pour estimer l ’ acceptance É galement pour extrapoler les efficacit é s hors de la r é gion du Z Enfin pour la mod é lisation GSF   ( /X 0 ) = 2% par bin de 0.1 en  M é thode: /X 0 ~ -ln (1 -f brem ) f brem = (p in -p out )/p in mesur é e

32 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Conclusions (1) Strat é gie enti è rement revue de reconstruction des é lectrons Bas é e/optimis é e sur H  ZZ (*)  4e en particulier Coh é rente avec electrons HLT Prenant en compte le probl è me de bremsstrahlung au niveau du clustering, du tracking et de l ’ identification Nouvelle algorithmie pour la reconstruction des traces Mod é lisation Bethe Heitler de la perte d ’é nergie Reconstruction d é clench é e par les agr é gats dans le calorim è tre EM D é finition de « classes » d’ é lectrons Corrections diff é rentes suivant les topologies D é finition d ’ une qualit é /erreur par é lectron pouvant être utilis é e dans n ’ importe quelle analyse de physique Optimisation de la mesure du momentum au vertex Corrections calorim è triques et combinaison E-p bas é e sur les classes et des erreurs par é lectron

33 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Conclusions (2) Identification des é lectrons Variables à l ’ arri è re Les « showering » sont plus difficiles à s é parer des jets que les « golden » R é ciproquement, on peut gagner beaucoup à ne consid é rer que les « golden » dans les canaux à fonds hadroniques importants Strat é gie pour le contrôle des syst é matiques Mesure de l’ é paisseur de mat é riel avec les traces é lectrons reconstruites Contrôle des efficacit é s et é chelle d ’é nergie avec les é lectrons du Z Prospective Faux é lectrons venant des jets Reconstruction des e - dans les jets TeV é lectrons Pr é paration premi è res donn é es, contrôle de la reconstruction et des efficacit é s CMS AN2005_011, AN2005_062, AN2005_065 CMS NOTE2006_040 CMS PTDR EPJC (sous publication) 3 th è ses au LLR

34 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Backup

35 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 evt12pt10

36 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Recontruction des traces électrons Reconstruction des traces dans CMS bas é e sur des filtres de Kalman 4 é tapes: recherche de pr é -traces, reconstruction de la trajectoire, r é solution des ambiguit é s, refit de la trajectoire De l’int é rieur vers l ’ ext é rieur Reconstruction des é lectrons HLT avec une recherche des pr é -traces à partir des super-agr é gats reconstruits dans le calorim è tre Permet un premier filtrage des candidats L’information calorim è trique permet de pr é dire o ù chercher de « hits » compatibles dans les couches de pixels et de construire la pr é -trace avant que l ’é lectron ne rayonne des photons Reconstruction des é lectrons hors-ligne bas é e sur une reconstruction de trajectoire modfi é e et un ajustement GSF Proc é dure analogue à HLT pour la d é termination des pr é -traces Collection des « hits » efficace jusqu ’ au ECAL  Important pour l’identification Excellente r é solution en impulsion et direction au vertex pour les traces ayant peu rayonn é es

37 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 evt12pt10

38 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 L’épaisseur de matériel  = 0  = 1.5 TP (1994) TDRs (1998) PTDR (2005) Outer Silicon = TOB+TEC

39 C. Charlot, HDR, 12 janvier 2006 Pixel Match vs other seeding eGSF track Regional seeding Cluster driven pixel match seeding Ctf seeding é vt QCD electrons de H  ZZ*, m H =150