Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc
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Le calorimètre électromagnétique d’ATLAS Recherche d’une nouvelle physique au LHC. Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie. Pourquoi le LHC ?. Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP : m h > 114.4 GeV @ 95% CL Exclusion Tevatron : 162< m h < 166 GeV @ 95% CL

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Le calorimètre électromagnétique d’ATLAS Recherche d’une nouvelle physique au LHC

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Presentation Transcript


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

Le calorimètre électromagnétique d’ATLAS Recherche d’une nouvelle physique au LHC

Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie


Pourquoi le lhc

Pourquoi le LHC ?

  • Pour trouver le boson de Higgs

  • Limite inférieure LEP :

    • mh > 114.4 GeV @ 95% CL

  • Exclusion Tevatron :

    • 162< mh < 166 GeV @ 95% CL

  • Limite supérieure théorique :

    • mh < 700 GeV (unitarité diffusion WW)


Pourquoi le lhc1

Pourquoi le LHC ?

  • Pour trouver le boson de Higgs

  • Limite inférieure LEP :

    • mh > 114.4 GeV @ 95% CL

  • Exclusion Tevatron :

    • 162< mh < 166 GeV @ 95% CL

  • Limite supérieure théorique :

    • mh < 700 GeV (unitarité diffusion WW)

@ 14 TeV


Pourquoi le lhc2

Pourquoi le LHC ?

  • Le programme du LHC :

  • 2010 : 2*3.5 TeV, jusqu’à 105 pb-1 par mois, total 0.2-0.5 fb-1

  • 2011 : 2*3.5 TeV, ~ 100 pb-1 par mois, total ~ 1 fb-1

  • 2012 : Consolidation

  • 2013 : 2*6.5 TeV à 25% de la luminosité nominale

  • 2014 : 2*7 TeV à 50% de la luminosité nominale

@ 14 TeV


Pourquoi le lhc3

Pourquoi le LHC ?

  • Collisionneur hadronique

    • bruit de fond hadronique important

    • signatures électromagnétiques

      • h, hZZ*4e, hWWee

    • importance du calorimètre électromagnétique !

@ 14 TeV


Atlas

ATLAS

y

x

z

=-ln[tan(/2)]

25 m

44 m


Atlas1

ATLAS

Détecteurs de traces (champ solénoïde de 2 T)

pT/pT = 0.05% pT  1% pour ||<2.5


Atlas2

ATLAS

Calorimètres électromagnétiques et hadroniques

e/ : E/E = 10%/E  0.7% pour ||<2.5

jets : E/E = 50%/E  3% pour ||<3.2


Atlas3

ATLAS

Spectromètre à muons (champ toroïdale de 0.6 T)

pT/pT = 10% pT à 1 TeV pour ||<2.7


Atlas4

ATLAS

Calorimètres argon liquide

Calorimètres électromagnétiques tonneau et bouchons

Calorimètre hadronique bouchon

Calorimètre avant

Le calorimètre hadronique tonneau (les Tuiles) n’est pas « argon liquide »


Le calorim tre lectromagn tique tonneau

Le calorimètre électromagnétique tonneau

  • Calorimètre à échantillonnage argon liquide (milieu sensible) + plomb (absorbeur)

  • Géométrie accordéon avec segmentation latérale et en profondeur

  • Couverture jusqu’à ||<1.4 (4.9 pour le calorimètre avant)

Back

Middle

Front

Tranche du calorimètre électromagnétique tonneau

PS = pré-échantillonneur


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

1990

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1996

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2000

2002

2004

2006

2008

2010

RD3

Tests des premiers prototypes

Création de la collaboration RD3 début 1990

Naissance de l’accordéon

Premier prototype en juillet 1990


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

1990

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2000

2002

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2006

2008

2010

Construction des modules de série

Présérie

RD3

1998 Construction du module de présérie

2001 Construction des modules de série

  • Aujourd’hui en 2010 :

  • 0 zones sans haute tension

  • 0.02% de canaux morts sur le détecteur

  • Tests signal et haute tension

  • Câblage

  • Tests à chaud puis à froid

Facteur de correction haute tension

Haute tension nominale

Haute tension inferieure

Haute tension sur un seul coté

2009


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

1990

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2006

2008

2010

Construction

RD3

Présérie

Test combiné

Tests en faisceau

1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN

2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau

2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS

Energie déposée selon la profondeur

Résolution sur l’énergie des électrons

2002

PS

FRONT

Calorimètre seul

  • Excellent accord données /Monte-Carlo

MIDDLE

BACK


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

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2010

Construction

RD3

Présérie

Test combiné

Tests en faisceau

1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN

2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau

2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS

Résolution en énergie

Energie déposée selon la profondeur

2004

(E)/E = 10.7±0.2 0.28±0.04

[%/E(GeV)] [%]

PS

FRONT

Calorimètre + matière morte

  • Excellent accord données /Monte-Carlo

  • Correction de la matière en avant du détecteur

  • Résolution comparable au détecteur seul

MIDDLE

BACK


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

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Construction

RD3

Présérie

Test combiné

Tests en faisceau

1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN

2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau

2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS

Résolution en énergie

2004

Tilecal

(E)/E = 10.7±0.2 0.28±0.04

LAr

[%/E(GeV)] [%]

Calorimètre + matière morte

beam

TRT

  • Excellent accord données /Monte-Carlo

  • Correction de la matière en avant du détecteur

  • Résolution comparable au détecteur seul


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

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Construction

RD3

Présérie

Installation

2003 Insertion dans le cryostat

2007 Electronique de traitement

2004 Descente dans le puits

  • 192 cartes de traitement *8 DSP pour l’ensemble de l’argon liquide

  • 170k canaux traités en < 10 s

  • Energie reconstruite à ±0.3 MeV jusqu’à 8 GeV

  • Temps reconstruit à ± 7 ps

  • (par rapport aux calculs hors ligne)

  • (et ce dès le démarrage d’ATLAS)


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

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Construction

RD3

Présérie

Installation

Données cosmiques

Non-uniformité de la réponse du calorimètre

Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre électromagnétique !

Module P13

2001-2002 tests faisceaux

18

245.6 GeV

0,44%

2006-2007 muons cosmiques dans les calorimètres

<2%


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

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2000

2002

2004

2006

2008

2010

Construction

RD3

Présérie

Installation

Données cosmiques

Non-uniformité de la réponse du calorimètre

Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre électromagnétique !

Module P13

2001-2002 tests faisceaux

19

245.6 GeV

0,44%

2008-2009 muons cosmiques dans ATLAS

<1%


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

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Construction

RD3

Présérie

Installation

Cosmiques

LHC

10 septembre 2008 : Premier faisceau !

23 novembre 2009 : Premières collisions !

  • Performances en résolution, linéarité et uniformité du calorimètre seul connues

  • Très bon accord données/MC sur les formes de gerbes par compartiment

  • Description de la matière dans le MC

  •  Performances du même niveau dans ATLAS

0


Le calorim tre lectromagn tique d atlas recherche d une nouvelle physique au lhc

1990

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Construction

RD3

Présérie

Installation

Cosmiques

LHC

Energie manquante dans les collisions sur des données de biais minimum

  • Le calorimètre électromagnétique est aussi un élément essentiel dans la reconstruction de l’énergie des jets et de l’énergie transverse manquante


Pourquoi une nouvelle physique

Pourquoi une nouvelle physique ?

Problème de la masse du Higgs dans le Modèle Standard

Corrections radiatives m:

h

h

h

h

h

La correction à la masse du Higgs est de l’ordre de l’échelle de coupure de la théorie

Problème de hiérarchie du Modèle Standard

Or : mh ~ 100 GeV et au LHC,  > TeV

  • Solutions :

  • Absorber divergences dans mh,0. Réglage fin (non naturel)

  • Nouvelle théorie :

    • Nouvelles particules compensant les divergences. Ex : Supersymétrie

= 0


La supersym trie susy

La supersymétrie (SUSY)

Bosons

Fermions

uup

ccharm

t top

 photon

Quarks

ddown

s strange

b bottom

Z boson Z

  • Supersymétrie = symétrie entre fermions et bosons

  • À chaque particule du Modèle Standard est associée un partenaire supersymétrique identique, sauf spin ±1/2

Electroweak

 neutrino tau

e neutrino electron

 neutrino muon

W boson W

electron

Leptons

tau

 muon

e

g gluons

Strong

  • Motivations théoriques

    • La masse du Higgs est stabilisée en évitant un réglage fin

    • Unification possible des constantes de couplage à grande échelle

  • Particules supersymétriques

    • Non encore observées

    • Masses différentes des particules du Modèle Standard

    • La supersymétrie est donc brisée.

    • Mais m(SUSY) < 1 TeV pour pouvoir compenser les divergences

h

Higgs

Modèle Standard

Modèle Standard Supersymétrique Minimal

Fermions

Bosons

H

Higgs

A

Higgs

Higgs

usup

cscharm

t stop

 neutralino

2 doublets de Higgs

Squarks

dsdown

s sstrange

b sbottom

neutralino

chargino

neutralino

neutralino

Electroweak





e

chargino

sneutrino muon

sneutrino tau

sneutrino electron

selectron

Sleptons

stau

 smuon

e

g gluinos

Strong

 SUSY Visible au LHC !


Les mod les supersym triques

Les modèles supersymétriques

  • MSSM = Modèle Standard Supersymétrique Minimal

  • Le MSSM contraint (CMSSM)

    • Hypothèses d’unification à grande échelle (GUT)

    • Supersymétrie brisée

    • Exemple : couplage gravitationnel, mSUGRA

    • 5 paramètres : m0, m1/2, A0, tan

    • et signe de 

  • Le MSSM phénoménologique

    • Pas d’a priori sur le comportement à grande échelle

    • 105 paramètres… + ceux du MS

    • Réductible à ~20 (sans CP, FCNC, …)

 équations d’évolution 

TeV

GUT

m0 : masse unifiée des scalaires

m1/2 : masse unifiée des gauginos

A0 : couplage trilinéaire unifié

tan : rapport des vav des 2 doublets de Higgs

 : paramètre de masse des higgsinos


D couvrir la supersym trie au lhc

p

p

~

~

~

q

~

c10

~

c20

g

l

q

l

l

q

Découvrir la supersymétrie au LHC

  • Création de paires squarks, gluinos

  • Désintégrations en cascades jusqu’à la LSP (Particule SUSY la plus légère stable)

m0=100 m1/2=300 A0=-300 tan=6 sgn>0

  • Signature expérimentale remarquable :

    • jets + ET + (leptons)

@ 14 TeV

  • Productions de particules SUSY au LHC ~ 1 pb

  •  découverte possible au LHC à partir d’1 fb-1


Observables supersym triques au lhc

p

p

~

~

~

q

~

c10

~

c20

g

l

q

l

l

q

Observables supersymétriques au LHC

  • À partir des cascades reconstructions de seuils cinématiques en fonction des masses

e+e-, +-

e+-, +e-

= (80.94 ± 0.042 ± 0.08) GeV


Un point de r f rence sps1a

Un point de référence : SPS1a

m0=100, m1/2=250, A0=-100, tan=10, sgn>0

  • SPS1a : un point mSUGRA de référence, étudié depuis 9 ans

  • Mesure principale, seuil di-leptonique :

  • Sélection de 15 observables au LHC pour

  • 300 fb-1 @ 14 TeV

  • LES : incertitude sur l’échelle d’énergie des leptons (0.1%)

  • JES: incertitude sur l’échelle d’énergie des jets (~1%)

Déterminer le modèle sous-jacent  SFitter


Mesurer la supersym trie sfitter

Mesurer la supersymétrie : SFitter

SFitter : Les Houches 2003, R. Lafaye, T. Plehn, M. Rauch, D. Zerwas

  • Modèle théorique

  • SUSPECT, SUSYHIT, micrOMEGAs,…

  • spectre de masse, BR SUSY+Higgs, densité relique, …

Observables

Prédictions

  • Calcul de vraisemblance en fonction des paramètres du modèle

  • Techniques

  • Résultats

  • Liste des maximums de vraisemblance

  • Carte de vraisemblance

    • en fonction des paramètres du modèle

    • et des prédictions des observables

  • Balayage de l’espace des paramètres

    • Chaines de Markov + MINUIT

  • Traitement des incertitudes

    • Schéma RFit (à la CKMfitter)


Les cha nes de markov

Les chaînes de Markov

  • Modèles théoriques de plus de 20 paramètres

    • Balayage de type grille très inefficace

      • dépend de (nombre de pas)nombre de paramètres

    • Méthodes de type Monte Carlo préférables

      • dépend de la complexité du potentiel

  • Chaines de Markov :

    • Le point n+1 dépend de la valeur des potentiel (~1/vraisemblance) Vn+1 et Vn

    • La densité de points testés est fonction de V

    • A priori indépendant du nombre de paramètres

  • Exemple de résultats :

    • Liste ordonnée des minimums de V

V: potentiel ~ 1/vraisemblance

Point candidat n+1 choisit si :

soit Vn+1<Vn soit probabilité pour Vn+1>Vn :

V

valeur du paramètre

  • Carte du minimum de V (sur tous les paramètres-2) en fonction de 2 paramètres

6

3

1

5

4

3

2

4

6

5

2

1


Traitement des incertitudes

Traitement des incertitudes

  • RFit : A. Höcker, H. Lacker, S. Laplace, F. Lediberder

    • Incertitudes théoriques = aucune information dans la zone théorique permise

    • distribution plate et de limites finies

  • «  Une erreur théorique ne peut pas être arbitrairement grande si la théorie est perturbative ! »

  • En dehors de la zone prédite la vraisemblance est décrite par les incertitudes expérimentales

Lmax

Lmax

Incertitude expérimentale seule

avec incertitude théorique

zone prédite

xexp-xth

xexp-xth


Extraction des param tres sps1a pour le cmssm

Extraction des paramètres SPS1a pour le CMSSM

Liste des maximums de vraisemblance

Ajustement avec MINUIT autour du maximum principal

  • Carte du maximum de vraisemblance en m0, m1/2

Sign(μ) fixed

LHC 300fb-1 @ 14 TeV

Bonne détermination des paramètres,

mais : hypothèse d’unification

à une échelle non explorée !


Extraction des param tres du mssm au tev

Extraction des paramètres du MSSM au TeV

  • Espace de 19 paramètres

  •  16 solutions de vraisemblance équivalente

    • Solutions permutées en M1, M2, M3 et  (paramètres de masse des gauginos et higgsinos)

    • Peu de sensibilité sur tan

  • Carte du maximum de vraisemblance en M1, M2

Lmax

tan = 4.5 (exp+th)

2


Mssm depuis le tev jusqu 10 18 ev

MSSM : depuis le TeV jusqu’à 1018 eV

1/M

  • Départ : paramètres déterminés à l’échelle du TeV

    • Equations d’évolution à plus haute énergie J.L. Kneur + SFitter

    • Largeur des bandes = incertitudes

    • Solution 1 compatible avec unification

    • Autres solutions : pas d’unification

 équations d’évolution 

«  SPS1a »

M1 : binos, M2 : winos, M3 : gluinos

1/M

Hiérarchie correcte au TeV !

Inversion M1, M2


Susy au lhc mais pas seulement

SUSY au LHC, mais pas seulement

(Alexander, Kreiss, Lafaye, Plehn, Rauch, Zerwas; Les Houches 2007, Physics at TeV Colliders)

  • Moment magnétique anomal du muon

Anomalie mesurée par E821 (BNL) :

Prédiction du Modèle Standard :

Plus de 2 d’écart (selon les prédictions)

  • Si SUSY est découverte au LHC :

  • La déviation de g-2 est elle compatible ?

  • g-2  tan et sign

  • Ajustement global E821 + LHC

tan = 2.0 au lieu de 4.5


Susy au lhc et au fnal aussi

SUSY au LHC et au FNAL aussi…

Hawaii Octobre 2009 : «  The New Muon (g-2) Experiment at Fermilab »

Dinko Pocanic

New g-2

Old g-2

LHC 300 fb-1(SFitter)

2s

1s

Avec le soutien de SFitter


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