Pierre-Simon MANGEARD Mise en œuvre du calorimètre électromagnétique d’ATLAS et recherche de nouvelle physique Pierre-Simon MANGEARD Directeur de thèse : Sylvain Tisserant/Fabrice Hubaut 15 juin 2007

Nouvelle physique au LHC LHC : Ouverture de l’espace des phases Utiliser les électrons comme sondes pour la nouvelle physique. Tevatron 95% C.L. Processus Tevatron 1987 (0.07pb-1) Tevatron 2009 (8fb-1) LHC 2009 (1fb-1) Z’ 1TeV << 1 evt < 10 evts 10000 evts Maîtrise du calorimètre électromagnétique essentielle

Le Calorimètre électromagnétique d’ATLAS h=0 h=1.4 h=3.2 h=4.9 Calorimètre électromagnétique : Grande couverture angulaire ||<4.9 1999-2002 : Tests faisceaux 2001-2004 : Construction Depuis 2004 : Installation et mise en route dans la caverne

Dans la caverne Tonneau Bouchons Diamètre : 4.5m -- Longueur 13m

Le Calorimètre Electromagnétique Calorimètre à échantillonnage plomb / argon liquide (90K)   Géométrie en accordéon herméticité azimuthale quasi-parfaite Grande granularité via une segmentation longitudinale et transverse PS  pertes en amont S1 0.0030.1  mesures de position S2 0.0250.025  dépôt d’énergie principal S3 0.050.025  queues de haute énergie

La préparation au démarrage Les atouts Le calo EM est l’un des sous-détecteurs les plus testés sous faisceaux Cette expertise est présente au CPPM Les Challenges 175000 canaux Mettre en place la procédure de calibration et de reconstruction du signal  Fonctionnement in situ avec les muons cosmiques

Prises de données 1 2 3 4 A B Z Runs combinés CaloEM/Had (pas de chambres à muons) Le déclenchement est réalisé à l’aide du calo Had. Calo en cours d’installation : seulement quelques modules disponibles avec l’électronique finale Août 2006 (13k evts) LAr HV = 2000 V Octobre 2006 (78k evts) LAr HV = 1600 V Pas HV dans I14 Acceptance augmentée 2007

A quoi ressemble un muon cosmique? Calo. Had. Calo. EM

La réduction du bruit est INDISPENSABLE Un muon projectif dépose très peu d’énergie : 200-300 MeV  Faible S/B 17 MeV f(x)=p0 + p2*exp(p1*N) signal de physique signal mis en forme et échantillonné N échantillons L’utilisation d’un plus grand nombre d’échantillons dans la reconstruction permet de diminuer le bruit.

Reconstruction de l’énergie des muons Energie déposée en MeV dans les cellules de S2 Création d’amas de cellules de S2 avec un seuil haut (bas) à au moins 5s (3s) au dessus du bruit. La réduction du bruit à 17 MeV  Les seuils : 100 et 50 MeV  Bonnes pureté et efficacité Muons projectifs : 2 cellules contiguës en phi (du à la géométrie en accordéon) (Amas 1)  Les muons cosmiques ne sont pas projectifs : cellules contiguës en phi et/ou en eta (Amas2) f Amas 2 12 62 35 10 17 42 67 187 20 5 19 14 53 8 25 16 15 45 90 32 11 18 202 13 12 62 35 10 17 42 67 187 20 5 19 14 53 8 25 16 15 45 90 32 11 18 202 13 12 62 35 10 17 42 67 187 20 5 19 14 53 8 25 16 15 45 90 32 11 18 202 13 12 62 35 10 17 42 67 187 20 5 19 14 53 8 25 16 15 45 90 32 11 18 202 13 Amas 1 h

Nombre d’amas par cellule de S2 LES MUONS A partir de 91000 evts :  2006 : 6% du tonneau sont scannés  ~25000 candidats muons Nombre d’amas par cellule de S2 L’information du calo. had. est utilisée comme référence afin d’estimer les caractéristiques du lot de muons Pureté : Je compare les candidats muons avec la trace reconstruite dans le calo. had. : Avec Df = ftile-fLAr et Dh=htile-hLAr  Sans coupure P=96%  Avec coupure P~100% (e=98%)

Nombre d’amas par cellule de S2 Cellules mortes Impulsion de calibration : 0.02% de cellules mortes Premiers signaux de physique in situ Nombre d’amas par cellule de S2 HAUT BAS Dans la région avec assez de stat. : une cellule morte dans S2

L’uniformité du calorimètre EM (1) L’énergie déposée par le muon est proportionnelle à la distance traversée h=0.8 h=0 Électrode du tonneau  Sélectionner les muons projectifs est nécessaire Projectivité : Soit (X0,Z0) l’intersection entre la trace reconstruite à l’aide du calo. Had. et le plan horizontal à Y=0. Coupure en projectivité : (|X0|,|Z0|)<(30cm,30cm)

L’uniformité du calorimètre EM (2) η Normalized MPV (|X0|,|Z0|) < 30x30 cm² ~9200 dépôts projectifs TOP BOTTOM S2 cell depth data normalized to 1 h Vérifiée < à 1% en test faisceaux  Première vérification in situ à 4%  Besoin en moyenne de 16 fois plus de statistique pour vérifier la non-uniformité à 1%

Conclusions - Perspectives Ma thèse a pour objectif d’utiliser au mieux les premières collisions du LHC au sein de l’expérience ATLAS (été 2008) Dans ce cadre, je participe à la mise en œuvre du calorimètre électromagnétique via l’étude des données de muons cosmiques prises à l’automne 2006 (note interne ATLAS en cours d’écriture) Celle-ci a permis : La mise en place d’outils de reconstruction La réduction du bruit par un facteur 3 La recherche de cellules mortes (indication d’une cellule dans S2) Première vérification in situ à 4% de l’uniformité Sensibilité rapide à la nouvelle physique : Sonder ce nouvel espace des phases dès le démarrage via les électrons

Evénement Z’e+e- ~560 GeV ~410 GeV

SPARE

(Situation dans la caverne à l’automne 2006) La partie centrale : Trajectographe interne sauf pixels Aimants solenoïde et toroïdes Calo. Hadronique Calo. EM : refroidi et rempli Chambres à muons en pleine installation Les bouchons : Calo Hadronique Calo. EM : chaud La 1ère grande roue des chambres à muons en installation

Purity of the sample (1) All clusters are not necessarily due to muons Tile calorimeter information can be used to estimate the purity.  dedicated cosmic reconstruction algorithm to find a muon track: TileMuonFitter (Jose Maneira) (Xo,Zo) Y=0 4m - 4m η=0.8 η cell center η=0 η=0.4 Cell energy threshold : 100 MeV TileCells in top AND bottom: long lever arm Fit track that minimizes sum of orthogonal distances to cells weighted by energy density Track crosses horizontal plane at (Xo,Zo)

Purity of the sample (2) TILE/LAR MATCHING We define : Df = ftile-fLAr and Dh=htile-hLAr Centered around zero : Well aligned Resolution dominated by tile granularity Signal Region: (|Df|,|Dh|)<(0.11,0.11) Noise region : (|Df|,|Dh|)>(0.2,0.2) Purity = (Nclus -Nnoise*)/Nclus * Number normalized at the signal region surface

Purity of the sample (3)  Can extract a very pure muon sample If no matching with tile :  P=96% Matching with tile : Purity close to 100% in signal region Selection decreases the efficiency from 23% to 19% Signal Region  Can extract a very pure muon sample

Projectivity of the sample (1) Due to setup : muons are not projective To estimate projectivity of muons, (X0,Z0) from tile track is used (Xo,Zo) Y=0 4m - 4m η=0.8 η cell center η=0 η=0.4 Can see the tile granularity in phi All muons are in +/- 1m around the interaction point

Projectivity of the sample (2) In order to estimate (X0,Z0) precision : Use events with 2 LAr matching clusters (top & bottom) : ~3k evts Extrapolate a « LAr crosspoint » at Y=0. Define DX0 = X0tile-X0LAr and DZ0=Z0tile-Z0LAr  Distribution centered around zero : good alignement Precision of 5-6 cm  Can extract a projective muon sample

Detect dead cells in S1 Map of Noise S/N in S1 less favorable Use all muons (11200) reconstructed in S2 cells Look at energy in the 8 S1 cells in front of the muon cluster Map of Noise Homogen noise over whole module : ~7.5 MeV Cut at 4σ on the pointed S1 cells Expect only 3 hits from noise over the 11k events

Detect dead cells in S1 (2) Entries per S1 cell Most populated region η In most populated region (30%), can even infer 1 (and only one) dead strip, not seen in calibration… We do see muons in S1 over almost the whole module (h<0.8)

Detect dead cells in S3 Map of Noise Entries per S3 cell Harder in S3 because lower S/N Map of Noise Entries per S3 cell E(MeV) η Φ ~13.3 MeV at η≤0.5 ~14.3 MeV at η>0.5 as expected from geometry Preliminary: large dispersion still to be understood Not enough stat. to detect dead S3 cells