Martina Schäfer 1 Etude du canal Z e + e - en simulation complète en vue de la discrimination entre des modèles au-delà du modèle standard Martina Schäfer Soutenance DEIR 25 octobre 2004 travail préparé au LPSC sous la direction de: F.Ledroit (LPSC-Grenoble) pour lobtention du DEIR et Th.Müller (Universität Karlsruhe) pour la Diplomarbeit F.Ledroit (LPSC-Grenoble) pour lobtention du DEIR et Th.Müller (Universität Karlsruhe) pour la Diplomarbeit IEKP

Martina Schäfer 2 LHC et ATLAS Modèles pour le Z Limites de découverte Bruit de fond Simulation Monte Carlo Reconstruction de M ee Variables discriminantes Résumé et perspectives génération simulation complète,, A FB

3 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer LHC et ATLAS

4 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer CERN (1) ûmachine p-p avec 14 TeV (Fermilab 2 TeV) û : L ~ cm -2 s -1, Ldt 20 fb -1 par année û xx: L ~ cm -2 s -1, Ldt 100 fb -1 par année û 23 événements biais minimum par croisement à haute luminosité (empilement) ûflux de radiation (10 7 Gy en 10 ans) ûtaux de collision 40 MHz ûcoût : 4000 MCHF (machine+expériences) û> 4000 physiciens (plus de 35 nations)

5 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer CERN (2) ûlorigine de la masse des particules «théorie électro-faible vérifiée avec une précision jusquà «origine de la masse des particules inconnue «postulat: boson de Higgs ( masse) ©M H > GeV (LEP) et M H < 1 TeV (théorie) M H < % niveau de confiance (ajustement global données électro-faible) ûle MS est-il une théorie ultime? «MS probablement lapproximation dune théorie plus générale à basse énergie ûnouvelle physique et physique inattendue ûmesures de précision «déviations du MS «connaissance du fond pour la recherche de nouvelles particules ûdautres questions ouvertes «p.ex. les fermions sont-ils élémentaires? motivation

6 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer CERN (3) ûATLAS ûCMS ûLHCb «physique du B «violation CP ûALICE «ions lourds «plasma quark-gluon nombreux domaines

7 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer ATLAS (1) optimisé pour la recherche du Higgs et de la nouvelle physique collaboration (bât.40) caverne d ATLAS site d ATLAS

8 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer largeur: ~40m rayon: ~10m poids: ~ 7000 t canaux électriques: ~10 8 cables: ~3000 km calorimètre électromagnétique ECAL identification électron/photon excellente bonne résolution en E ATLAS (2) chambres à muons réponse rapide pour le trigger bonne résolution en p calorimètre hadronique HCAL bonne performance pour les jets et E T manquante détecteur interne ID traces des particules chargées haute précision sur le paramètre dimpact comparaison

9 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer ATLAS (3) ûdivisés en barrel (tonneau) et end-caps (bouchons) ûECAL «technologie argon liquide LArg «| |<3.2 ( pseudo-rapidité) «bonne précision jusquà | |=2.5 ûHCAL «Fe, scintillateurs | |<1.7 «LArg (1.5<| |<4.9) e - : calorimètres

10 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer ATLAS (4) calorimètre à échantillonnage milieu sensible : argon liquide absorbeur : plomb ~24X 0 (barrel), ~26X 0 (EC) structure accordéon 3 compartiments longitudinaux « strips »: séparation / « middle »: dépôt dénergie principal « back »: gerbes très énergétiques segmentation en cellules, ~ canaux résolution (haute E) pré-échantillonneur PS en | |<1.8 pertes dénergie dans la matière traversée en amont

11 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer ATLAS (5) module du barrel 1 ère roue du barrel LPSC accordéon (barrel) PS

12 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Modèles pour le Z & Limites de découverte

13 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Modèles pour le Z (1) ûSSM Sequential Standard Model «Z avec les mêmes constantes de couplages que le boson Z habituel La recherche du Z est motivée par le grand nombre de modèles au-delà du modèle standard qui possèdent un Z. Comme il sagit dun canal qui sera facilement mis en évidence, cest un moyen excellent pour distinguer ces modèles. ûModèles E 6 «modèles effectifs de rang 5 «basés sur GUTS, extensions populaires: SO(10) et E 6 «E 6 SO(10) x U(1) SU(5)xU(1) x U(1) MSxU(1) ß «Z=sinß Z + cosß Z «étudiés: Z, Z et Z

14 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Modèles pour le Z (2) ûModèles symétriques LR «SU(2) L xU(1) Y du MS étendu à SU(2) L xSU(2) R xU(1) Y « =g L /g R : rapport des couplages du boson gauche et droit «étudié: =1 objectif: étude des variables discriminantes ûZ(KK): dimensions supplémentaires, Kaluza-Klein «fermions confinés sur une 3-brane, bosons de jauge se propagent avec la gravitation dans des dimensions supplémentaires petites perpendiculaires aux branes «ici: une dimension supplémentaire, compactifiée sur S 1 /Z², tous les fermions sur le même « orbifold point » «tour de résonances Kaluza-Klein pour tous les bosons de jauge avec M² n =(nM c )²+M 0 ², M c échelle de compactification, M 0 masse du boson de jauge habituel n=1 n=2 n=3 n=4 M C =1TeV

15 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Limites de découverte (1) Limites de découverte – directe et indirecte ûSSM «>1.5TeV indirect, >690GeV direct ûModèles E 6 «> GeV indirect, > GeV direct ûModèles symétriques LR «>860GeV indirect, >630GeV direct ûZ(KK) « 4TeV (indirect par des mesures électrofaibles SI boson de Higgs léger + dans le bulk) Mélange entre le Z et le Z négligeable

16 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Limites de découverte (2) Résultats actuels du Tevatron printemps 2004 – 200pb pb -1 fin dété 2004 CDF

17 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Limites de découverte (3) CDF: SSM, E 6 DØ: KK Résultats actuels du Tevatron printemps 2004 – 200pb -1 Données MS MS + 1dim.sup.petite M c >1.12TeV

18 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Bruit de fond

19 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Bruit de fond physique (1) bruit de fond irréductible: Drell-Yan (Z =,Z) en plus: effet dinterférence avec le Z ne peut et ne sera jamais traité séparément du signal autres bruits de fond: (signature e + e - ou e ) tt, bb, … VV … Z Z+DY Z DY signal: Z =Z

20 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Bruit de fond physique (2) bb à 1.5 TeV, génération à 1.5TeV, avec efficacité 100%, sans aucune coupure, 1 année basse luminosité (20fb -1 ) picZDY SSM Z( ) 4505 p T (e) << 50GeV mis-identification dun photon: 4% estimation rapide du nombre des évts attendu autour du pic en masse pour 1.5TeV et 4TeV (génération avec Pythia) Mll/GeV

21 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Bruit de fond physique (3) à 4 TeV, génération Mll/GeV Signal très propre, tout bruit de fond est négligeable comparé avec le DY et ne sera pas pris en compte dans ce travail. à 4TeV, avec efficacité 100%, sans aucune coupure, 1 année haute luminosité (100fb -1 ) picZDY SSM250.3 Z( ) à étudier: Z DY

22 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Simulation Monte Carlo (signal Z DY )

23 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Simulation MC (signal) (1) ûcanal Z e + e - ûgénération avec Pythia ûsimulation complète (détecteur) avec Athena pour le Z(KK): processus externe défini par lutilisateur dans Pythia (T.Rizzo, G.Azuelos) ola forme BW complète est incluse pour le photon et le Z et leurs 2 premières résonances oles masses et couplages sont définis, les largeurs calculées oles autres résonances sont re-sommées oles éléments de matrice sont interfacés avec Pythia, Pythia est utilisé pour le QCDshowering des quarks initiaux et lhadronisation (PDF: défaut, CTEQ5L) SN-ATLAS G.Azuelos, G.Polesello

24 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Simulation MC (signal) (2) pour les autres modèles: processus prédéfini dans Pythia pour modèles avec ce Lagrangian pour le courrant neutre ZZ couplages pour le SSM, les modèles LR et E 6

25 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Simulation MC (signal) (3) ûgénération avec Pythia «Z(KK) à 4 TeV «Z(autres modèles) à 1.5TeV et 4TeV avec la structure dinterférence complète (DY) «sans ISR/FSR, coupure CKIN(1) soit 1000GeV soit 2500GeV « évts pour chaque modèle ûsimulation complète avec Athena «Z(SSM, LR, E 6 ) à 1.5TeV avec DY «Z(SSM) et Z(KK) à 4TeV avec DY «avec ISR/FSR, coupure CKIN(1) = 500GeV à 1.5TeV « évts dans le pic à 1.5TeV «basse luminosité (sans empilement) «single électrons/photons et dijets pour lidentification et la calibration des électrons

26 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Reconstruction de M ee

27 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Cinématiques p T des e - et e + = (e -,e + ) T (lab) p z du Z simul. fullsim simul. | | des e - et e + pour le SSM à 1.5TeV (génération)

28 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Identification des électrons ûuniquement clusters avec E T >50GeV 1 cluster : x = x (défaut) ûsélection «variable ISEM (identification des électrons standard) «nombre de traces (1 or 2) «nombre de hits dans le détecteur interne (au moins 6) ûefficacité «électrons (single électrons, DC1, 200GeV): 91% «électrons (single électrons, DC1, 1000GeV): 87% «photons (single photons, DC1, 200GeV ): 4% «jets (dijets, DC1, 560GeV): 0.13% ûen plus: coupure sur langle, électrons isolés = (e -,e + ) T dans le laboratoire

29 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Calibration ûcalibration standard: photons ûde-calibration et re-calibration ûseulement tonneau ûvalidée avec single électrons (200GeV et 1TeV) Stathes Paganis (University of Wisconsin) H 4e /E 0.7% résolution sur lénergie des électrons (Z à 1.5TeV) résultats: Z (SSM 1.5TeV) electrons à 750GeV (E)/E (E=750GeV) =9.5%sqrt(E) % 0.6% ok (M)/M (M=1.5TeV) = sqrt(2) (E)/E 0.8% ok

30 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Reconstruction du Z (1) seulement événements avec «2 électrons identifiés «e + et e - «2 électrons dans le tonneau résolution sur la masse (1.5TeV) = 11 GeV + queues /E 0.7% pertes par bremsstrahlung et FSR non-inclus dans cluster négligées vérité re-calibré non re-calibré Mll/GeV

31 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Reconstruction du Z (2) acceptance ( 55%, tonneau 45% ) en |Y| en |cos | en |cos | pour différent bins de |Y| |Y| élevée |Y| basse = (q,e - ) dans le repère du Z rapidité du Z

32 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale Largeur totale Section efficace leptonique Section efficace leptonique Asymétries avant/arrière Asymétries avant/arrière Variables discriminantes

33 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Linterférence M ll (GeV) avec int. linterférence : SSM (génération) M ll (GeV) DY pic destructif plus mince plus large /GeV linterférence : Z(KK) destructif ! M ll (GeV) DY+Z M ll (GeV) avec int. /GeV

34 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale (1) ajustement pour la largeur totale - génération exp (DY) BW BW*exp+exp ±4 pic DY luminosité des partons + interférence /GeV exemple: modèle Z( ) à 1.5 TeV KK: sans lexp pour le DY DY pur: approximé par exp

35 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale (2) tous les modèles, génération 1.5TeV /GeV

36 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale (3) ajustement pour la largeur totale -- simulation complète résolution du détecteur largeur naturelle [Res] [BW*exp+exp] G+G+G G+G Mll/GeV DY M recalibrée fit résolution: parametré par: Gauss+Gauss (pic central + queues) Gauss+Gauss+Gauss (préliminaire) simulation complète, SSM 1.5TeV Mll/GeV

37 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale (4) résultats à 1.5TeV – génération et simulation (GeV) (gen) Theo. (GeV) G+G (GeV) G+G+G SSM LR syst jusquà 6% déjà au niveau de la génération, jusquà 10% en simul., plus important pour petit souvent surestimée erreur stat. bon accord!

38 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale (5) (GeV) (gen) Theo. (GeV) SSM LR KK résultats à 4TeV /GeV erreur stat Simul. (GeV) génération bon accord!

39 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale (6) Cette seule variable nest pas suffisante pour discriminer, exemple modèles E Z=sinß Z + cosß Z

40 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Section efficace leptonique (1) ûcalculée à partir de «la luminosité (section efficace de Pythia) «le nombre dévénements dans le pic sans le DY «dans 4 «acceptance 1 (génération) «en accord avec Pythia « * ( décroissances exotiques du Z) (n )/ (15 ) LR 1.5TeV, génération (fb) * (GeV fb) SSM LR KK résultats à 4TeV, génération et simul erreur stat.

41 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Section efficace leptonique (2) gén. (fb) gén. * (GeV fb) Pythia (fb) simul. (fb) simul. * (GeV fb) SSM LR résultats à 1.5TeV erreur stat. bon accord!

42 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Avant/Arrière (1) ûdans collisions pp il ny a pas de direction avant/arrière naturelle direction du q avant «direction du q approximée par la direction du Z (le quark est en général un quark de valence et alors plus rapide que lantiquark de la mer) «dans 25% des cas faux «lapproximation est mieux à haute rapidité Y du Z fraction des evts où lapproximation est fausse |Y| > 0.8: 10% faux paramétré par pol2 1.5TeV, génération (Y)

43 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Avant/Arrière (2) * = (e -,q) * = (e -,Z) * = (e -,laxe z) distribution cos * exemple: Z( ) à 1.5 TeV (génération) dans le repère du Z: ûcos * est asymétrique A(true) ûcos * perte de lasymétrie A(obs) û A(cor) ûcos * est symétrique M Y

44 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (1) en fonction de M ou exemple: Z(SSM) à 1.5TeV, génération Conclusion: Accord entre lajustement et le comptage – si lacceptance est bien connue. A_FB(M)=(N + -N - )/N N + : cos >0, dans chaque bin en M ! il faut corriger lacceptance ! ajustement à la distribution cos dans chaque bin de M 3/8(1+ cos 2 ) + A_FB cos A(true) – vraie direction du quark ajustement comptage Mll/GeV

45 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (2) en fonction de M exemple: Z( ) à 4TeV, génération ajustement direction du q – A(true) direction du Z – A(obs) Conclusion: Perte de lasymétrie avant/arrière. Mll/GeV

46 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (3) en fonction de M exemple: Z( ) à 1.5TeV, génération littérature: sans(avec) coupure |Y|>0.8 (comptage) q, sans coupure A(true) q, avec coupure A(true) Z, sans coupure A(obs) Z, avec coupure A(obs) Conclusion: La coupure en |Y| réduit la perte de lasymétrie avant/arrière. Mais: lacceptance décroît avec |Y|.

47 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (4) en fonction de M exemple: Z(SSM) à 1.5TeV, simul. facteur de dilution: A(obs)=D A(true), D=1-2 (y) ajustement en « 2D » à la distribution cos dans chaque bin de M 3/8(1+ cos 2 ) + A*(1-2 (Y)) cos A(true) A(obs) A(cor) simple division ne marche pas, comme D dépend du modèle Conclusion: Ajustement en « 2D » marche, (y) est indépendant des modèles, mais dépendent de la masse. Avantage: accès à A(cor) A(true) et non pas seulement à A(obs)

48 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (5) en fonction de M A(true), 4TeV génération Mll/GeV

49 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (6) en fonction de M Résultats (sur le pic) gen. 1.5TeV simul. 1.5TeV gen. 4 TeV gen. 4 TeV SSM LR KK DY A(true) A(cor) erreur stat. erreur stat. + erreur syst. d (y) bon accord!

50 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (7) en fonction de Y simul. exemple: Z(LR) à 1.5TeV génération A_FB(Y)=(N + -N - )/N N + : cos >0, dans chaque bin dY ! il faut corriger lacceptance ! A_FB(-Y)= - A_FB(Y) exemple: Z( ) à 4TeV génération

51 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB (8) en fonction de Y gen. 1.5TeVsimul. 1.5TeVgen. 4 TeV SSM LR KK erreur stat. + erreur syst. de lacceptance A_FB(Y) caractérisée par la pente dune droite. bon accord!

52 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Résumé

53 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Résumé et Perspectives ûétude de différents modèles à 1.5TeV et 4TeV ûétude du bruit de fond et de linterférence ûidentification et calibration des électrons ûau niveau de la génération, et pour la première fois en simulation complète dATLAS: étude des variables discriminantes pour différents modèles de Z ©largeur totale ©section efficace leptonique ©asymétries avant/arrière ð Première analyse des variables discriminantes en simulation complète ð Outils prêts et testés pour appliquer à dautres modèles et nouvelles simulations ð Prochain objectif: fit global pour distinguer les modèles

54 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer ! Bonne chance !

55 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer FIN

56 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Formules ûTheoretical decay width û = g x ² /48 (c v ²+c a ²) M x (for m f =0) ûg x =g/cos w, g=e/sin w ûExtra dimensions ûS 1 : y=0..2 R, 0=2 R ûZ²: y=-y=2 R-y ûFix points: 0 et ûDilution ûA_FB(obs)= (1-2eps) A_FB(true), eps: % of wrong q direction ûCharge miss-identification: 3.5% à 1.5TeV

57 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Angle définition de langle *

58 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Decay

59 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Théorie de groupe ûrang: «nombre de générateurs qui peuvent être diagonalisés simultanément «rang SU(n) = n-1 ûSM: «rang 4 (ew. 1, faible 1, forte 2) «seule possibilité avec rang 4: SU(5) (exclu par la durée du vie du proton) «SO(10) le groupe le plus simple, le plus petit de rang 5 ûE 6 : «« exceptional simple Lie group » «rang 6 (rang eff. 5) «dimension 78 représentation fondamentale: dimension 27 (complexe)

60 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Calibration (1) ûstandard calibration : photons ûde-calibration ûre-calibration ûonly barrel before recalib. after recalib. energy Stathes Paganis (University of Wisconsin) 200GeV /E=0.9% (E)/E (E=200GeV) =9.5%sqrt(E) % 0.8% ok

61 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Calibration (2) /E=0.8% energy 1TeV after recalib. before recalib. (E)/E (E=1000GeV) =9.5%sqrt(E) % 0.5% ok

62 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Calibration (3) Results on the Z (SSM 1.5TeV), electrons at about 750GeV (E)/E (E=750GeV) =9.5%sqrt(E) % 0.6% ok (M)/M (M=1.5TeV) = sqrt(2) (E)/E 0.8% ok /E 0.7% resolution of electrons (Z at 1.5TeV)

63 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Largeur totale Z(KK) résonances: superposition de (n) et de Z (n) fit par (BW+BW)*exp dans le générateur (pour M=4TeV): ( (1) ) = GeV (Z (1) ) = GeV résultat du fit (pour M=4TeV): (dans lhypothèse ( (n) ) / (Z (n) )=const. et connu) ( (1) ) = GeV (Z (1) ) = GeV /GeV

64 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB en fonction de Y SSM KK lacceptance nest pas adaptée ! à 4TeV en simulation complète

65 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer A FB en fonction de M – hors pic

66 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Modèles Zeit.Phys. C65 (1995) 603 MZMZ Z

67 DEIR 25octobre 2004 Martina Schäfer Acceptance