Préparation des études sur les premières données de l’expérience Atlas : reconstruction des leptons du boson Z° Anne Cournol Stage de Master 1, sciences.

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1 Préparation des études sur les premières données de l’expérience Atlas : reconstruction des leptons du boson Z° Anne Cournol Stage de Master 1, sciences et technologies, mention physique fondamentale, université Pierre et Marie Curie Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies de Paris; CNRS – IN2P3; Université Pierre et Marie Curie-Paris 6 ; Université Denis Diderot-Paris 7 Le modèle Standard de la physique des particules L'expérience ATLAS Analyse du canal Z° -> µ + µ- Analyse du canal Z° -> e+ e- Conclusion

2 Le Modèle Standard ✔ Le Modele Standard de la physique des particules 12 particules élémentaires de matière (+ antiparticules) 4 interactions ✔ Questions sans réponses : - Unification des interactions - Origine des masses: ✔ Comment les particules ont une masse ? ✔ Pourquoi sont-elles si différentes ? Boson de Higgs ? (pas encore découvert !) ✔ Au delà du Modèle Standard : ✔ mesures précises afin de tester le Modèle Standard ✔ découverte de nouvelles particules

3 Expériences recherchant le Higgs Fermilab, Illinois (USA) Accélerateur: Tevatron Run I & II Expériences: CERN, Genève Suisse Accélerateur: LEP (1989 - 2000) ATLAS Expérience en cours prises de données, et résultats physiques Expérience en cours de construction CERN, Genève, Suisse Accélerateur: LHC (2008 - ?) Expériences:

4 Le Large Hadron Collider (LHC) Large Hadron Collider (CERN, Geneve) Collisioneur proton – proton contenu dans un tunnel de 27 km de circonférence. Il debutera en 2008 Energie de 14 TeV dans le centre de masse et fréquence des collisions : toutes les 25 ns Objectifs : production et découverte du boson de Higgs, physique au delà du MS

5 Le detecteur : Point d'interaction : collisions p-p Détecteur interne Trace laisse par des particules chargées mesure de leurs moments Calorimètre électromagnétique Mesure l‘énergie des électrons et des photons Calorimètre hadronique Mesure l‘énergie des hadrons Spectromètre à muons Mesures précises sur les muons, essentiellement leurs moments L'experience ATLAS ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus System) 1800 chercheurs et ingenieurs venant de 30 pays différents 10 ans de prise de données Pseudorapidité :  = -ln (tan  /2) Quantités physiques projetées sur le plan transverse pouvant etre mesurées : - E T - p T  

6 Simulation de données Simulation Monte Carlo En attente de vraies données, nous pouvons étudier les performances des reconstructions des particules par le détecteur Préparation d'analyses physiques Lots de données utilisées pour l'analyse Etude sur l'identification des particules Z  (alignement du détecteur) Z  ee (étalonnage des énergies) calorimètre hadronique calorimètre électromagnétique Spectromètre à muons jets Détecteur interne (trajectographe) Génération Simulation Reconstruction Analyses Vérité MC Variables electron

7 Etude du canal Z  Simulation d’un événement H   ee dans Atlas Le boson Z 0 a une masse tres bien connue (91.2 GeV) Le canal Z  a peu de bruit de fond (1%): on peut utiliser ca canal pour obtenir un lot de muons pour étudier la reconstuction (alignement) dans le spectromètre à muons Etape importante pour la recherche du boson de Higgs

8 Etude du canal Z  information de simulation Monte-Carlo : impulsion transverse p T (vérité) et pseudorapidité  (vérité) - géométrie tonneau : région de l'espace définie par |  | < 2.5 - les particules de p T > 20 GeV sont majoritairement des muons M(  ) (MeV) - sélection des paires de muons - reconstruction masse invariante : pic à ~ 90 GeV - claire séparation du bruit de fond - Provenant de la combinaison d’un muon du Z et d’une autre particule

9 Etude du canal Z  - sélection par paire de muons - reconstruction masse invariante : pic à ~ 90 GeV Masse du Z = 91.2 GeV - efficacité de reconstruction de l'algorithme : #candidats muons reconstruits / #vrais muons correspondant  = 93.2 % (+/- 1.5) information de l’algorithme de reconstruction MuonBoys : impulsion transverse p T (reconstruite) pseudorapidité  (reconstruite) M(  ) (MeV) On peut sélectionner « facilement » dans le pic du Z un lot de muons

10 Etude du canal Z  e+e- Le boson Z 0 a une masse tres bien connue (91.2 GeV) Le canal Z  e  e  a peu de bruit de fond (1%): on peut utilsier ca canal pour obtenir un lot d’électrons pour étudier la reconstuction (énergie) dans le calorimètre électromagnétique ou l’alignement détecteur interne vs calorimètre Etape importante pour la recherche du boson de Higgs Simulation d’un électron dans le calorimètre

11 Etude du canal Z  e+e- Bloc vérité

12 Etude du canal Z  e+e- Détecteur interne - fractionTR - mesurer l’efficacité d’identification pic de masse pTrec/PT

13 Etude du canal Z  e+e- Calorimètre - E/p E/ET etc… - mesurer l’efficacité d’identification - pic de masse - Erec/E

14 Etude du canal Z  e+e- Mesure de l ’efficacité dans le pic - E/p E/ET etc… - mesurer l’efficacité d’identification - pic de masse - Erec/E

15 Conclusion Initiation pratique au Modèle Standard (lecture au début du stage) Découverte de quelques éléments de détecteurs (au laboratoire et au Cern) Reconstruction de leptons (muons et électrons) - programmation orientée objet - compréhension du format de données - “comment” on identifie une particule - utilisation de la Vérité Monte Carlo pour mesurer l’efficacité - utilisation du pic du Z pour mesurer l’efficacité avec les vraies données Développement d’une analyse “simple” proche de celles qui seront effectuées au tout début de la prise de données Avant la chasse au Higgs il faudra prouver que le détecteur fonctionne ! Visite au Cern durant trois jours (photos)