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Le calorimètre électromagnétique 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 ?. 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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  1. Le calorimètre électromagnétique d’ATLAS Recherche d’une nouvelle physique au LHC Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie

  2. 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) 

  3. 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 

  4. 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

  5. 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

  6. ATLAS y x   z =-ln[tan(/2)] 25 m 44 m

  7. ATLAS Détecteurs de traces (champ solénoïde de 2 T) pT/pT = 0.05% pT  1% pour ||<2.5

  8. ATLAS Calorimètres électromagnétiques et hadroniques e/ : E/E = 10%/E  0.7% pour ||<2.5 jets : E/E = 50%/E  3% pour ||<3.2

  9. ATLAS Spectromètre à muons (champ toroïdale de 0.6 T) pT/pT = 10% pT à 1 TeV pour ||<2.7

  10. 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 »

  11. 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 

  12. 1990 1992 1994 1996 1998 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

  13. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 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

  14. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 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

  15. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 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 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

  16. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 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 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

  17. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 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)

  18. 1990 1992 1994 1996 1998 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 18 245.6 GeV 0,44% 2006-2007 muons cosmiques dans les calorimètres <2%

  19. 1990 1992 1994 1996 1998 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%

  20. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 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

  21. 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 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

  22. 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

  23. 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 H± 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 !

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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)

  29. 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

  30. 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

  31. 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 !

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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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