1 R ECHERCHE du PARTENAIRE SUPERSYMETRIQUE du QUARK TOP et CONTRIBUTION à l ’AMELIORATION de la CALORIMETRIE de l’EXPERIENCE DØ pour la PHASE II du T EVATRON Bob OLIVIER T HESE DE DOCTORAT U NIVERSITE P IERRE E T M ARIE C URIE - P ARIS VI 9 Avril 2001

2 Plan de l ’exposé Introduction au Tevatron et à D0 Le calorimètre La calibration électronique L ’amélioration de l ’énergie transverse manquante La recherche du sTop La sélection des données Les limites obtenues en 3 et 4 corps Conclusions

3 L ’amélioration du Tevatron Main Ring  Main Injector + Recycler  luminosité instantanée  L = 2    énergie des faisceaux  10 E p  1 TeV Main Injector (6/1999) Protons  cible de production p p et p  150 GeV vers le Tevatron Recycler (2001) accumule les antiprotons capture et refroidit les antiprotons Réduction du temps de croisement des faisceaux 3.5  s  396 (puis 132) ns 3.56  s 4.36  s 2.64  s “super”paquet 396ns Intervalle de temps trop court pour le déclenchement Run I 6x6 Run II 36x36  remplacement de l ’électronique du calorimètre, ainsi que du système de calibration électronique

4 Calorimètre à échantillonnage Uranium-Argon liquide Couverture  < canaux de lecture Segmentation projective ( tours )  x  x  MG: pas d’absorbeur ICD: scintillateur Canal de lecture Z y x   p p  = 0.7  = 1.5 Le détecteur DØ et son calorimètre

5 L ’électronique du calorimètre Preamp Trig. sum Filter/ Shaper x1 x8 SCA (48 deep) BLS Output Buffer Detc. Bank 0 Bank 1 nouveaux préamplis de bas bruit Temps de mise en forme 400ns mémoires analogiques SCA > 2μsec Mémoires supplémentaires pour L2 & L3 SCA nouvelle calibration électronique Buts de la calibration éléctronique: intercalibration de cellules et des gain1/8 estimation de l’échelle d’énergie absolue calibration du système de déclenchement qualification de l’électronique du calorimètre Difficulté: calibration chaude  réflexion du signal de calibration vers le détecteur

6 Le système de calibration électronique Pulser PIB 2 Fanout (2x3x16 switchs) 6 commandes (3x2) 96 courants switch Déclen- chement Alimentation Boîte de Préamp. Carte 48 Préamp. (4 tours) 75m 25m 12 unités pour chaque boîte de préamplis du calorimètre 1 pulse vue par 48 canaux sur 8 cartes de préampli les 6 canaux pulsés sur une carte sont de type em et had!

7 Le Pulseur et le FanOut Actif Pulseur: générateur de courant contrôle la hauteur du pulse commande de déclenchement contrôle du retard du pulse FanOut actif: mise en forme du pulse en réception d’un signal de commande le ‘switch’ est ouvert

8 Historique:

9 Uniformité des courants des pulseurs Dispersion des pentes < 0.2% Dispersion des canaux dans un pulseur < 0.1% pulser utilisé pour l’ICD Uniformité meilleure que 1/1000 Distribution des pentes de chaque pulseur Distribution des pentes de l ’ensemble des pulseurs (A/u.DAC) #canaux pulseurs Mesures de courants à l ’aide d ’un ampèremètre de précision Détermination des pentes des 96 canaux*15 pulseurs

10 waveform scanner ± 5V Pre-amp box: right connector of preamp card slot scope laptop GPIB trigger generator pulser Mesure des formes d’onde mesure faite sur les pulseurs/FanOut dans leur emplacement final mesure du pulse à l ’entrée de la carte de préampli vérification de la connectique et des canaux de calibration détermination d’une fonction de correction d’uniformité: différences dans la capacité parasite des boîtes de préampli

11 Uniformité des formes d’ondes correction des effets systématiques liés à la carte de test uniformité < 0.8 % effets systématiques liées à la capacité parasite de la boîte de préampli peuvent être corrigés mesure de la forme du pulse pour une valeur DAC de 30k détermination de l ’amplitude du pulse uniformité des signaux de calibration délivrés détermination sans préamplis installés

12 installation test de l ’électronique d ’un 12 ième du calorimètre émulation du calorimètre par des câbles détecteur terminés par des capacités chaîne d ’électronique complète (PAmp+BLS+ADC) pour les tests, équipée partiellement avec des prototypes des cartes PAmp/ BLS Station de test des 5000 canaux

13 Linéarité de la chaîne électronique mesure des coups ADC vs. DAC (hauteur du pulse) gamme dynamique de l’ADC couverte à DAC=90k linéarité de la calibration + de l’électronique du calorimètre meilleur que 0.2% jusqu’à DAC=65k pas de contribution significative du bruit ajouté par la calibration ADC vs DAC  vs DAC (ADC- ADC fit ) ) /ADC max vs DAC Résultats obtenus la station test: linéarité ~ 0.2%  DAC=65k uniformité < 0.4% dispersion gain1/8 < 2.5%

14 Forme du signal de calibration time pulse height sampling time with respect to trigger increasing pulser delay mesure de la forme du pulse après la mise en forme réponse maximale obtenue à différentes temps pour le canaux em/had:  doit être prise en compte dans le calcul des constantes de calibration  plusieurs prise de données nécessaires pour une calibration complète instabilité en début du pulse et à la pleine échelle de la ligne a retard effet du BLS visible canal-emcanal-had

15 Premières mesures de la diaphonie un canal pulsé  3 préamplis touchés par tour variation proportionnelle à la hauteur du pulse injecté plus grand effet de diaphonie dans les canaux directement voisins effet < 1.5% origines de la diaphonie: couplage au niveau des connecteurs de la carte de préamplis câbles entre les boites de préamplis et les cartes BLS

16 Premières mesures sur le détecteur Delay = 50 canal-emcanal-had rampes de retard et de linéarité non-automatisées variation du retard à DAC=40k observation de la réponse dans la région du plateau  première mise en temps du signal correcte  variation de la hauteur du pulse avec retard fixé à 50  valeur de retard optimale entre  différence dans la reponse de canaux em/had

17 La recherche de nouvelles particules Objets importants pour ces recherches reliés à la calorimétrie : Electrons et photons jets de quarks b (mais combiné avec un microvertex) Energie transverse manquante : - Tres bonne mesure dans D0, grace à l ’hermiticité du calorimètre et à la quasi-compensation. - Amélioration encore possible par la suppression des cellules chaudes, qui apparaissent parfois dans les calo à Argon liquide. - Introduction d ’un nouvel algorithme NADA (New Anomalous energy Deposit Algorithm) plus performant pour le Run II, en remplacement de l ’algorithme AIDA du Run I

18 Cellules chaudes La présence de cellules chaudes influence la reconstruction de Les cellules chaudes peuvent être dues: –au bruit électronique –à la contamination de l ’argon liquide –aux désintégrations de l’Uranium –aux rayons cosmiques –au ‘ backscattering’ de particules interagissant dans les matériaux morts au RunI: il y avait plusieurs algorithmes de suppression des cellules chaudes –On-Line : CALIB (bruit électronique) –Off-Line : CAHITS (bruit électronique) –Off-Line : AIDA (événement par événement) trop puissant! 17% des événements contenaient au moins une cellule chaude! Notre but: –remplacer AIDA par un nouvel algorithme NADA pour le Run II

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20 Hot Cells Simulation –Hot cells are simulated by injecting random cells in data (20/event, missing_et trigger data) Eeta phi layers

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23 misID: Hot Cells at E T > 10 GeV –Cuts Set 1 = 100, 100 MeV, no layers –Cuts Set 2 = 300, 300 MeV, no layers

24 Comparison NADA / AIDA 61 Run1 high pT jets (>240GeV) AIDA: >=1 flagged cell/event with E T >10 GeV (85 cells in 61 events) …all belonging to jets ! 0.7: jet cone size inside jet distance to closest jet #AIDA flagged cells/evt NADA: No flagged cells!

25 MisID 1 GeV

26 Timing de l’algorithme NADA QCD pt 160 GeV: Candidate 1 GeV, cuts 100,100MeV: Le temps pris par l’algorithme est proportionnel à NxK N=nombres de cellules de plus de 100/300 MeV K=nombres de cellules de plus de 1/ 10 GeV

27 La recherche du sTop Introduction à la SUSY et au MSSM La recherche du sTop en 3 et 4 corps La réduction des données Les bruits de fond (‘physique’ et ‘instrumental’) Les erreurs systématiques Les limites obtenues Comparaisons à CDF, LEP Prévisions pour le Run II

28 Particules Supersymétriques

29 Les paramètres du Modèle MSSM le plus général : (MS) On réduit ce nombre en imposant certaines contraintes : Pas de nouvelle violation de CP Pas de « Flavor Changing Neutral Currents » Universalité des première et seconde familles 19 paramètres : tan   M 1,M 2,M 3 Les masses des sfermions des trois générations A t,A b,A  En imposant certains conditions limites (grande unification) on réduit encore ce nombre : Unification des couplages Unification des masses des gauginos (m 1/2 ) Universalité des masses des scalaires (m 0 ) Universalité des couplages trilinéaires (A 0 ) MSSM mSUGRA tan  sgn(  ) MSSM

30 Symétrie susy : quark (fermion)  2 squarks (gauche & droit) Limite actuelle sur le spectre de masse : m (slepton) > 90 GeV m (squark) > 250 GeV m(chargino) > 100 GeV m(sTop) > 95 GeV m(neutralino) > 35 GeV Les états physiques des squarks sont des mélanges des squarks gauche et droit L ’angle de mélange dépend de m f (masse du fermion associé) Peut être grand pour : le sTop le sbottom et le stau (grand tanb) 1st, 2nd Génération (sbottom, stau) Pourquoi recherche-t-on le sTop ?

31 Production du sTop Grande section NLO et m stop = 100 GeV  NLO  = 12 pb « fusion » de gluons annihilation de quarks  : Echelle de Factorisation et de Renormalisation  m  t 1 ), m  t 1 )/2 :  15% de variation en section- efficace ,Z Production directe de paires de Stop :

32 Désintégrations en 3 corps (le sneutrino est la LSP) BR(e,  ) = 33% Pas de résultats de D Pas de résultats de D Ø CDF a des resultats (88 pb - 1 ) CDF a des resultats (88 pb - 1 ) Résultats à LEP Résultats à LEP Signature = e  E T miss ( b b) Signature = e  E T miss ( b b) Le canal 3 corps qui domine: (avec échange de chargino réel ou virtuel)

33 Préselection des données Préselection: ( 149 millions d’événements ) Candidat Electron Candidat Muon E T EM >10 GeV, |  | 7 GeV, |  |< 2  2 < 300 Critères de déclenchement –Run 1: mu_ele_XXX, ele_jet_XXX, mu_jet_XXX Luminosité: –Run 1A: 13.9 pb -1, Run 1B 94.4pb -1 Luminosité totale pour cette combinaison  5.7 pb -1

34 Bruits de fond: Z 0,Drell-Yan, tt, WW Z 0   +  -  e  X 26.6 pb D-Y   +  -  e  X 5.5 pb WW  e  X 0.69 pb tt  e  X0.40 pb

35 Bruits de fond: Z, WW

36 Bruit de fond instrumental Energie manquante Muon Jet identifié comme un électron proba(jet   ) < < : négligé proba(jet  e) ~ : estimé à partir des données

37 Désintégrations en 3 et 4 corps du sTop au repos 2 désintégrations sont boostés dans le référentiel de 2 sTops produits par Pythia Fragmentation et hadronisation des produits de désintégration (Pythia) Simulation rapides des événements avec QSIM (standard Run I) + X-check avec la « full » simulation DØ Geant + DØ Reco Bruits de fond simulés avec DØ Geant + Reco Simulation du signal Génération des événements avec COMPHEP: calcul analytique des éléments de matrices (calculs à l’arbre)

38 Corrections pour la simulation Efficacités de ‘Triggers’: CCCF CCEF ECCF ECEF (trigsim, triggers e/mu, régions fiducielles) 95  5 % 93  5% 90  4% 93  5% Electrons (L 5, eff. trace.) : 77  1.6 %(CC) 60  2.5%(EC) Muons : 89  6.2 %(CF) 50  5.9%(EF) (pas de muons RunIa EF) Corrections totales: CCCF CCEF ECCF ECEF 64.7  7% 31  4% 48  5% 25  3% CC : Calo. Central EC : Calo. Avant CF : muon Central EF : muon Avant

39 Sélection des événements 1 électron ( E T (e)>15 GeV avec |  |<2.5) 1 muon (p T (  )>15 GeV avec |  |<1.7) E T >15 GeV

40 Données/Bruit/Signal sTop: 18.5 évts bruit: 28.5 évts données: 30 évts Bon accord données/bruit de fond S/B ~ 1/2 m stop = 120 GeV m = 60 GeV coupures 3 corps :   e +     e  

41 3 corps: D/B/S après coupures finales sTop: 13.9 évts bruit: 13.4 évts données: 11 évts S/B ~ 1 m stop = 120 GeV m = 60 GeV E T e,mu > 15 GeV E T miss > 15 GeV |  e +     e  

42 Erreurs Systématiques Section efficace de production: échelle de renormalisation et de factorisation: 7.5 % influence des distributions de partons : 5 % Rayonnement de gluons (ISR,FSR) : 3 % Correction Monte Carlo : 5 % Sélection des événements : 6 % Total : 16.6 % Signal: Bruit de Fond: Luminosité: Erreur sur l ’échantillon inclusif e - mu - Energie manquante : 7.4 % provenant de: correction d ’acceptance, interactions multiples, efficacité de déclenchement, incertitudes sur les sections efficaces de production Selection des événements : 6 % Total : 9.5 % : 5.3 %

43 analyse CDF : 1 électron ou 1 muon (E T > 10 GeV) + 2 jets (>12 et 8 GeV) + E T miss (> 25 GeV) Eff: 5.7% ;81 évts vus, /-8.8 attendus analyse D  : 1 électron & 1 muon (E T > 15 GeV) + Jets non demandés + E T miss (> 15 GeV) Eff: 4% ; 11 évts vus, /-1.5 attendus Comparaison CDF/DØ

44 Limites section efficace (3 corps) Limites plus basses que les prédictions théoriques  Contour d’exclusion approche bayesienne tenant compte des erreurs systématiqies

45 Contour d’exclusion (3 corps) Région exclue, m_sTop: jusqu’à 140 GeV pour m_snu= 43 GeV jusqu’à 130 GeV pour m_snu= 85 GeV

46 La désintégration en 4 corps Pour les masses petites (< 80 GeV) : Pour les masses intermédiaires (~100 GeV) : Pour les grandes masses (>130 GeV) :

47 Le Modèle SUSY 19 paramètres :  m(  0 )  m(  + )  Spectre des Masses:

48 Désintégrations en 4 corps du sTop Limites actuelles : la masse des squarks : m sq >250GeV la masse des sleptons m sl >90GeV deux scénarios : scénario échange de W scénario échange de sneutrino léger 4 types de désintégrations initiales, mais b-chargino domine. Dans les désinté- grations du chargino, on a

49 4 Corps vs 2 Corps Pour de grandes masses de sTop, et pour tan  pas trop grand : Les limites actuelles sur les masses de squark (excepté le sTop) sont plus hautes que celles sur les sleptons, et donc MSSM Pour de petites masses de sTop, le canal 4-corps est supprimé. Pour des masses intermédiaires (autour de 80 GeV) compétition entre le 2 corps et le 4 corps:

50 3 corps vs 4 corps m stop = 120 GeV, m LSP = 60 GeV 3 corps 4 corps Cinématique plus ‘dure’ pour le 3 corps

51 4 corps : coupures finales  Z Z  faux électrons WW, Top

52 4 corps: D/B/S après coupures finales sTop : 9.1 évts bruit : 8.1 évts données: 6 évts S/B ~ 2 m stop = 110 GeV m  = 50 GeV

53 Scénario échange W (4 corps) En dépit d’un état final moins favorable (seules les désintégrations leptoniques de W sont utilisées), D  établit une meilleur limite que CDF jusqu’à 110 GeV

54 Scenario échange sneutrino (4 corps dans l’état final)

55 Contour d’exclusion (4 corps) Résultat complémentaire avec celui obtenu avec les désintégrations en 2 corps Plus grande masse exclue: ~ 135 GeV ~ 135 GeV

56 En résumé Recherche du sTop en 3 corps et 4 corps donne les résultats suivants au Run I

57 Recherche du sTop au Run II Mais ceci est une autre recherche...

58 Backup slides

59 Comparison generated/reconstructed

60 DØ Calorimeter 

61 Pulse de calibration L = 1mH R1 = 82  C1 = 390 pF C2 = 165 pF T1T2 T1 npn T2 pmos bi-cmos Calo T1 et T2 = commerce T2 CMOS 0.8  m ICD (pm) forme du pulse simulé à la sortie du switch: temps de montée ~50ns temps de decroissance ~750ns

62 Pulse de calibration Signal physique Signal calibration forme du pulse à l ’entrée des préamplis: signal de calibration affecté par la réflexion dans le câble détecteur différence dans la réponse au variation des différentes paramètre des de la chaîne électronique

63 Calibration Signal physique Signal calibration Signal de calibration légèrement plus tard que le signal de physique

64 Comparaison gain 1 / gain 8 ADC 12bits: gamme dynamique  8 linéarité < 0.1% également à faible valeur DAC dispersion des pentes gain8/gain1 < 2.5%

65 Uniformité de la chaîne électronique comparaison des pentes obtenues pour les 12 pulseurs sur les mêmes canaux de lectures d ’une carte de préampli uniformité en utilisant l ’ensemble de la chaîne électronique < 0.4 %

66 Comparaison des formes de signal Formes de signal pour canaux em et had: variation de ~20 ns entre différents canaux effet sur la réponse du signal moins important dans la région du plateau canal A ’ non connecté à une capacité  montée du signal plus rapide

67 Luminosity vs. Antiproton Intensity

68 Les Sous-détecteurs Nouveaux Silicium –800k ch: barrels & disques, lectureS VXII –1/2 barrel (ECS) installé –1/2 barrel (ECN) installation 15/12 Fibres –80k fibres lecture VLPC 8 cylindres –Installé dans la cavité interne –Cassettes VLPC en fin production Solenoïde –2T supra –Installé et testé Preshowers –Scintillateurs, WLS, VLPC –Central: complet & installé –Avant: “ “ Muons –Central: installé –Avant : fin installation Le détecteur est prêt pour les tests en cosmiques roll-in 01/02/01 Si Barrel bulkhead w/ ladders & flex cable Si barrel ladder Double sided Si disk wedge Fiber cylinder w/ ribbons 8ch VLPC readout chip Forward Preshower Module Solenoid with central preshower being intalled

69 More Antiprotons More protons on the antiproton target –Slip stacking (~1.8 x) –Proton beam sweeping Better antiproton collection efficiency –Liquid lithium lens (~1.5 x) –AP2-Debuncher aperture increases (~1.5 x) Better cooling –Debuncher cooling bandwidth increase –Accumulator Stacktail 4-8 GHz bandwidth increase –Accumulator Core bandwidth increase –Electron cooling in the Recycler

70 L’Amélioration du Détecteur DØ Fiber Tracker 2T Super conducting Solenoid Central Preshower Intercryostat Detector Détecteur de traces:  Electronique du calo  trigger et DAQ  Monitorage/calib online  Offline/calcul  Blindage  Scintillateurs muons central  MDT muons avant  Scint. pixels muon avant  Moniteur de L  Preshower avant  Microstrips

71 Luminosité attendue au Run II 2001Main Injector et Recycler0.6fb Recyclage des antiprotons1.2fb fb -1 Total Run II a 2.6fb Arrêt 6 mois pour installer: e-cool, 132 nsec, 104 bunches et pour remplacer les detecteurs de micro-vertex x10 32 cm -2 sec fb x10 32 cm -2 sec fb x10 32 cm -2 sec fb x10 32 cm -2 sec fb -1 Total Run II~15fb -1 par expérience Luminosité max x Run II a II b

72 sTop Hadronisation sTop Hadronisation simulated by Susygen : Peterson Function for sTop (parameter  ) At most, 2 GeV increase of the energy of the produced particles Negligible for

73 1) Nombres d’événements signal attendus 2) Efficacité de signal : Ex: à 120,60 GeV pour m_stop,m_snu: N_géné e-mu e-mu-Etmiss coupures BR(2/9) MC corr. # évts: eff. partielle 100% 28% 91.2% 74% 22.2% 66 % eff. totale 100% 28% 25.5% 19% 4.2% 2.8% 1) 2) ‘Efficacités’ de signal

74 Données/Bruit/Signal m stop = 110 GeV m = 50 GeV Coupures pour le 4 corps: |  e +     e    jets…… sTop: 11.4 évts bruit: 28.5 évts données: 30 évts S/B ~ 1/2