Pierre-Simon MANGEARD

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1 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

2 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

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

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

5 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 S   mesures de position S 0.025  dépôt d’énergie principal S 0.025  queues de haute énergie

6 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 canaux Mettre en place la procédure de calibration et de reconstruction du signal  Fonctionnement in situ avec les muons cosmiques

7 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

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

9 La réduction du bruit est INDISPENSABLE
Un muon projectif dépose très peu d’énergie : 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.

10 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

11 Nombre d’amas par cellule de S2
LES MUONS A partir de 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%)

12 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

13 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)

14 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%

15 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

16 Evénement Z’e+e- ~560 GeV ~410 GeV

17 SPARE

18 (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

19 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)

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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)

26 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