soutenance_finale

Étalonnage du calorimètreÉtalonnage du calorimètre
électromagnétique tonneauélectromagnétique tonneau
Identification des leptonsIdentification des leptons
recherche drecherche d
dans le canal qqHdans le canal qqH
,,
ττ
etet
’’un boson de Higgsun boson de Higgs
→→qqqqττ ττ
dans ldans l’’expexpéérience ATLAS au LHC.rience ATLAS au LHC.
18 septembre18 septembre 20062006
Fabien TarradeFabien Tarrade
LAPP, AnnecyLAPP, Annecy

18 septembre 2006 Fabien Tarrade 2
Cadre théorique et contexte expérimental
I. Reconstruction du signal et étalonnage du
calorimètre électromagnétique
II. Identification des leptons τ dans leurs
désintégrations hadroniques
III. Recherche d’un boson de Higgs du Modèle
Standard
Conclusion générale
PlanPlan

Cadre thCadre thééoriqueorique
etet
contexte expcontexte expéérimentalrimental
Le Modèle Standard et le boson de Higgs
L’expérience ATLAS au LHC
Le calorimètre électromagnétique

Le ModLe Modèèle Standardle Standard
succès :
prédictions (boson W, Z, quark t …) en accord avec les résultats expérimentaux
mesures de précision en accord avec la théorie
masses :
générées par le mécanisme de Higgs,
auquel est associé un boson de Higgs
limite du Modèle Standard
problème de naturalité
nombre de paramètres libres …
Supersymétrie
dimensions supplémentaires …
ModModèèle Standard :le Standard :
AuAu--deldelàà du Moddu Modèèle Standard (nouvelles extensions) :le Standard (nouvelles extensions) :
mais cette dernière particule
est encore inobservée

Le boson deLe boson de HiggsHiggs
limites surlimites sur mmHiggsHiggs dans le Moddans le Modèèle Standard :le Standard :
recherche du boson derecherche du boson de HiggsHiggs ::
recherche directe
mHiggs > 114.4 GeV/c2 @ 95% CL (LEP)
ajustements électrofaibles
mHiggs < 207 GeV/c2 @ 95% CL
limite théorique
mHiggs < 1 TeV/c2 (trivialité, unitarité)
mHiggs inconnue
nécessite une grande gamme d’énergie
section efficace de production
σHiggs une dizaine d’ordres de grandeur plus faible que σtotale
LHC

collisionneur proton-proton de 27 km
de circonférence
énergie dans le cm √s = 14 TeV
croisement paquets de protons toutes les 25 ns
Luminosité nominale prévue:
2.1033 cm-2s-1 à 1034 cm-2s-1
basse : 10 fb-1/an
haute : 100 fb-1/an
4 grandes expériences:
ATLAS, CMS, LHCb et ALICE
premières collisions fin 2007 √s = 450+450 GeV
LHC :LHC :
Large Hadron Collider
CERN, Genève
Tevatron
section efficace proton-(anti)proton
LHC
Le LHCLe LHC

variables
pseudo-rapidité :
η =-ln( tan(θ/2) )
énergie transverse :
ET= E sin (θ)
L’expérience ATLASL’expérience ATLAS
caractéristiques
longueur : 44 m
diamètre : 22 m
poids : 7000 t
Y
X
Z
θφ
géométrie
symétrie suivant φ
symétrie par
rapport à η=0
ATLAS : A ToroATLAS : A Toroïïdal LHCdal LHC ApparatuSApparatuS
protons
protons
point d’interaction des faisceaux

résolution en impulsion :
σ(p)/p = 0.05 % p (GeV) ⊕ 1% pour |η|<2.5
Solénoïde 2TSolénoïde 2T
détecteurs internesdétecteurs internes
détecteur à pixel
SCT (Semi-Conductor Tracker)
TRT (Transition Radiation Tracker)
Le détecteur interneLe détecteur interne

Les calorimètresLes calorimètres
résolution en énergie (en GeV) :
électromagnétique: σ(E)/E = 10%/√E ⊕ 0.3/E ⊕ 0.7% pour |η|<3.2
hadronique: σ(E)/E = 50%/√E ⊕ 3% pour |η|<3
: σ(E)/E = 100%/√E ⊕ 5% pour 3<|η|<5
les calorimètresles calorimètres
électromagnétique
hadronique

Le spectromètre à muonsLe spectromètre à muons
résolution en impulsion :
σ(pT)/pT < 3% pour 10<pT<250 GeV et pour |η|<2.7
σ(pT)/pT = 10 % à 1 TeV
8 aimants toroïdaux8 aimants toroïdaux
et 2et 2 toroïdestoroïdes bouchonsbouchons
spectromètrespectromètre àà muonsmuons
MDT (Monitored Drift Tubes)
CSC (Cathode Strips Chambers)
RPC (Resistive Plate Chambers)
TGC (Thin Gap Chambers )

calorimètre à échantillonnage
plomb/argon liquide
argon liquide (90 K) :
homogénéité, stabilité chimique, tenue aux
radiations
couverture :
|η|<1.475 partie tonneau
1.375<|η|<3.2 partie bouchon
géométrie cylindrique hermétique en φ
accordéon
Le calorimètreLe calorimètre
électromagnétiqueélectromagnétique
bouchonsbouchons
tonneautonneau
profondeur (suivant r) :
25 à 34 X0 longueurs de radiation
2 demi-tonneaux
z<0 et z>0
1 demi-tonneau :
16 modules
partie tonneau :partie tonneau :
caractcaractééristiques :ristiques :
r

Principe et segmentationPrincipe et segmentation
particules
η
φdéveloppement de la gerbe : absorbeur plomb : X0=0.56 cm
ionisation de l’argon liquide : électrons d’ionisation
signal : collecté par la couche centrale des électrodes
principe :principe :
compartimentcompartiment avantavant
compartimentcompartiment milieumilieu
compartimentcompartiment arriarrièèrere
η=0
η=1.4
prépré ééchantillonneurchantillonneur
r
η
cellules
η
φ r
compartimentcompartiment
milieumilieu
prpréé
ééchantillonneurchantillonneur
compartiment arricompartiment arrièèrere
compartiment avantcompartiment avant
segmentation :segmentation :
compartiment granularite (Δη×Δϕ) profondeur
pré-échantillonneur 0.025 x 0.1 10.025 x 0.1 1--2 X2 X00
avant 0.003 x 0.1 30.003 x 0.1 3--5 X5 X00
milieu 0.025 x 0.025 150.025 x 0.025 15--1818 XX00
arrière 0.05 x 0.025 10.05 x 0.025 1--8 X8 X00
η=0.8

cryostat
déclenchement L1
L1 décision
HTHT
filtre de misefiltre de mise
en forme CRen forme CR--RCRC22
ADCADC RODROD
SCA
signal dsignal d’é’étalonnagetalonnage
t
U
étalonnage
AAmaxmax
∞∞ EE déposéedéposée (2.8(2.8 μμAA//GeVGeV))
temps de dérive ~ 450 ns
t
I
signal de physiquesignal de physique
3 gains (1:9.3:93)3 gains (1:9.3:93)
cellule decellule de
détectiondétection
reconstruction dereconstruction de
l’énergie par filtragel’énergie par filtrage
optimaloptimal
E = Σ ai si
t
U
signal après mise en formesignal après mise en forme
échantillonnage
toute les 25 ns
La chaîne de lectureLa chaîne de lecture
cavernepourl’électronique
chachaîîne de lecture pour ATLAS:ne de lecture pour ATLAS:

besoin de la forme du signal de physique gphysique, de sa dérivée g’physique et de la matrice
d’auto corrélation du bruit R
reconstruction de l’énergie en utilisant les coefficients de filtrage optimal ai
Coefficients deCoefficients de
filtrage optimalfiltrage optimal
mmééthode dethode de filtrage optimalfiltrage optimal ::
électronique optimisée pour la haute luminosité (bruit d’électronique et d’empilement)
le filtrage optimal permet de réduire le bruit à basse luminosité (d’un facteur 1.7)
minimise les biais introduits par les décalages en temps lors de l’échantillonnage
coefficients decoefficients de filtrage optimalfiltrage optimal (OFC):(OFC):
t
ADCADCpicpic
ADCADCpicpic∞∞ EEddééposposéé

I. Reconstruction du signal etI. Reconstruction du signal et
éétalonnagetalonnage du calorimètredu calorimètre
électromagnétiqueélectromagnétique
Test en faisceau de 2004
Prédiction du signal de physique
Production des coefficients de filtrage optimal
Reconstruction de l’énergie
Résumé

Le test en faisceau de 2004Le test en faisceau de 2004
test en faisceau combintest en faisceau combinéé::
objectifs:objectifs:
tranche complète d’ATLAS
électronique finale
90 millions d’événements : e, π, μ,γ,p
énergie de 1 à 300 GeV
performances combinées des sous détecteurs
valider la modélisation Monte Carlo
validation du code de reconstruction et d’
étalonnage dans l’environnement logiciel : ATHENA
caractcaractééristiques :ristiques :
acquisition cadencée à 40 Mhz comme au LHC
faisceau asynchrone contrairement au LHC
dispositif
calorimcalorimèètretre éélectromagnlectromagnéétiquetiqueTRTTRT
calorimcalorimèètretre
hadroniquehadronique
chambreschambres
àà muonsmuons
chambreschambres
àà muonsmuons
cryostat et modulecryostat et module
prototype duprototype du
calorimcalorimèètretre
éélectromagnlectromagnéétiquetique

Différence entre le signalDifférence entre le signal
de physique et d’étalonnagede physique et d’étalonnage
signal de physique gphysique dans ATLAS
t
ADCADCpicpic
5 échantillons espacés de 25 ns
dont 1 échantillon proche du maximum(+/-2 ns)
t
ADCADCpicpic
retard programmable :
échantillonnage toutes les 1.04 ns
signal d’étalonnage g étalonnage
gphysique
gétalonnage
MMphysphysiqueique
MMétalonnageétalonnage
pour une même charge injectée les
signaux de physique gphysique et
d’étalonnage gétalonnage sont différents
besoin de prédire le signal de physique gphysique prédite
pour calculer MMphysphysiqueique / MMétalonnageétalonnage

gphysique prédite= gétalonnage* H(t)
différence :
H(t) de forme gphysique ≠ gétalonnage
de point d’injection
Prédiction du signalPrédiction du signal
de physiquede physique
signal de physique au test en faisceau
t
ADCADCpicpic
faisceau asynchrone
particules avec une phase aléatoire [0-25 ns]
forme de physique gphysique avec échantillonnage fréquent
signal de physique prédite gphysique prédite
paramètres fixés
paramètres libres
gphysique prédite ajustée à la gphysique

pour différents
courants injectés
amplitude(u.a)
temps (ns)
signal de physique :signal de physique :
électrons de 250 GeV
coupures de sélection :
nombre d’événements par cellule : 1000
Epré-échantillonneur, avant, arrière > 1 GeV et
Emilieu> 7 GeV η
η=0.8particules
gphysique gétalonnage
signal de physique
0.6<η<0.8 problème de Haute Tension
η >0.8 qualité des données ne permettent
pas de reconstruire de bonnes formes de
physique
coupsd’ADC
signal d’étalonnage
temps (ns)
Reconstruction du signalReconstruction du signal
d’étalonnage et de physiqued’étalonnage et de physique
module
φ
pour
différents
courants
injectés

AjustementAjustement
temps (ns)
amplitude(u.a) compartiment avant
ajuster les prédictions gphysique prédite aux courbes de physique mesurées gphysique
résidus autour de 2 % au maximum
calcul de Mphysique/Métalonnage
calcul des jeux de coefficients de filtrage optimal pour toutes les cellules
ajustement :ajustement :
résidus
gphysique
gphysique prédite
résidus
gphysique prédite - gphysique
gphysique prédite
résidus =

ReconstructionReconstruction
de l’énergiede l’énergie
reconstruction de lreconstruction de l’é’énergie dnergie d’’une cellule :une cellule :
utilisation des coefficients de filtrage optimal
coefficients de
filtrage optimalrapport des maximas :
gphysique sur gétalonnage
extraction du
Monte Carlo +
test en faisceau
calcul à partir des
valeurs mesurées
des composants
d’étalonnage
coupsd’ADC
DAC
déterminés par une procédure d’étalonnage

amas de taille fixe Δη×Δϕ=3×3 dans le compartiment milieu
autour de la cellule la plus énergétique
aucune correction : pertes latérales, vers l’arrière, ….
Résolution de la réponse enRésolution de la réponse en
fonction defonction de ηη sans correctionsans correction
reconstruction de lreconstruction de l’é’énergie dnergie d’’un amas :un amas :
balayage en η (η<0.6)
énergie(GeV)
η
η=0.28
énergie(GeV)
〈E〉 = 168.2 GeV
σ = 1.4 GeV
σ/〈E〉 = 0.81 %
énergie (GeV)
électrons de 180 GeV

RésuméRésumé
perspectives :perspectives :
rréésumsuméé et contributions :et contributions :
code de prédiction des formes de physique migré dans ATHENA
testé et validé avec les données du test en faisceau de 2004
production des coefficients de filtrage optimal
validation de la chaîne de reconstruction de l’énergie avec les OFCs
prouver que l’on peut prédire les formes de physique avec 5 échantillons au LHC
préparer le code et la stratégie pour le démarrage du LHC

IIII. Identification des leptons. Identification des leptons ττ
dans leurs ddans leurs déésintsintéégrationsgrations
hadroniqueshadroniques
Processus de physique avec des leptons τ
Caractéristiques des leptons τ
Algorithmes
TauRec
Tau1P3P
Première comparaison TauRec/Tau1P3P
Résumé

boson de Higgs du Modèle Standard (VBF)
qqH → qqττ
Z → ττ
W→ τντ
ddéésintsintéégration du boson degration du boson de HiggsHiggs ::
processus du Modprocessus du Modèèle Standard :le Standard :
important pour la mise
en route du détecteur
Processus de physiqueProcessus de physique
avec des lavec des leptonseptons ττ
canal VBF très important pour un Higgs de basse
masse : 115 GeV/c2 < mHiggs < 145 GeV/c2
désintégration en une
paire de leptons τ
mHiggs (GeV)
mHiggs (GeV )
significationstatistique
rapportd’embranchement
production par fusion
de bosons vecteurs
faibles (VBF) 10%-20%
(mHiggs=115-145 GeV/c2)
5σ

Les leptonsLes leptons ττ
état final rapport
d’embranchement (%)
type de
désintégration
e υe υτ 17.8
μ υμ υτ 17.4
π υτ 11.1
π π0 υτ 25.1
π + n π0 υτ n ≥2 10.3
π π π υτ 9.5
π π π + n π0 υτ n ≥1 4.4
hadronique
3 particules chargées
(13.9%)
hadronique
1 particule chargée
(46.5%)
leptonique
(35.2%)
propripropriééttéés des leptonss des leptons ττ ::
lepton τ
mτ= 1776.99 +0.29 MeV
cτ = 87 μm
modes de dmodes de déésintsintéégration des leptonsgration des leptons ττ ::
désintégrations
hadroniques
jets τ
désintégrations
leptoniques
e, μ
−0.26

CandidatsCandidats jetsjets ττ
jet τ
π0
π+
π-
π+reconstruction des candidats jetsreconstruction des candidats jets ττ ::
échantillons
Z→ττ
caractéristiques
amas calorimétrique bien collimé
petit nombre de traces chargées associées
région
|η|<2.5 zone limite du détecteur interne
jets QCD
électrons : gerbe tardive ou important bremsstrahlung
muons interagissant dans les calorimètres
TauRec et Tau1P3P
bruit de fond identifibruit de fond identifiéé comme des jetscomme des jets ττ ::
algorithmes de reconstruction des jetsalgorithmes de reconstruction des jets ττ dans ATLAS:dans ATLAS:

ReconstructionReconstruction
TauRecTauRec (algorithme officiel) :(algorithme officiel) :
initié par différents objets : amas calorimétrique ou trace
association des traces aux candidats jets τ
étalonnage de l’énergie des jets τ (calorimètres)
initié par une trace de bonne qualité
construction des candidats jets τ avec 1 ou 3 traces
étalonnage de l’énergie des jets τ (détecteur interne et calorimètres)
détermination des variables discriminantes
identification des jets τ
Tau1P3P (nouvel algorithme):Tau1P3P (nouvel algorithme):
pT (GeV)
résolution(%)
détecteur interne
calorimètres
pourpour TauRecTauRec et Tau1P3P :et Tau1P3P :
pions

TauRec : préTauRec : pré--sélectionsélection
algorithme de reconstructionalgorithme de reconstruction
des jetsdes jets ττ par dpar dééfaut dans ATLASfaut dans ATLAS ::
amas (ET>15 GeV), ou une
trace (pT> 2 GeV)
association des traces aux candidats jet τ
si ΔR=√(Δη2+Δφ2)<0.3
candidat jet τ de TauRec
η
nombre de traces
u.a
efficacitédereconstruction
〈effreconstruction〉= 85%
coupure
ΔR<0.4
ΔR<0.3

TauRec : variablesTauRec : variables
détermination des variables discriminantes pour l’identification des jets τ
et pour la réjection des jets QCD
u.a
REM
rayon électromagnétique REM :
jet τ : jet mince
petit profil dans la direction
transverse
jet QCD : pour de grands pT :
grand boost
jet plus étroit

TauRec : identificationTauRec : identification
étalonnage de l’énergie des jets τ
poids (Monte Carlo) appliqués sur l’énergie
dépendant de la densité en énergie (à la H1)
coupure sur les variables discriminantes
jet τ identifié par TauRec
u.a
σ = 10.4%
〈〉 = -1.8%
(ET
τ reconstruit – ET
vrai τ visible)/ ET
vrai τ visible
possibilité d’être initié à partir de différents objets
bonne efficacité de reconstruction
bonne résolution en énergie

caractéristiques des leptons τ dans leur
mode hadronique :
1 trace + n π0 (Tau1P)
3 traces + n π0 (Tau3P)
trace de bonne qualité (pT> 9 GeV),
recherche des traces voisines (pT> 2 GeV, ΔR<0.2)
1 trace de bonne qualité
+ pas de trace voisine + 2 traces voisines
nouvel algorithme denouvel algorithme de
reconstruction des jetsreconstruction des jets ττ dans ATLASdans ATLAS ::
|η|
candidat jet τ
de Tau3P
Tau1P
candidat jet τ
de Tau1P
|η|
Tau3P
Tau1P3P : préTau1P3P : pré--sélectionsélection

Tau1P3P : variablesTau1P3P : variables
détermination des variables discriminantes pour l’identification des jets
τ et pour la réjection des jets QCD
Tau3P
u.a
ΔET
12
ΔR<0.1 ΔR<0.2
fraction d’énergie déposée ΔET
12 :
jet τ : jet bien collimé
jet QCD : pour de grands pT :
grand boost
jet plus étroit

Tau1P3P : identificationTau1P3P : identification
étalonnage de l’énergie des jets τ
technique du flux d’énergie
information du détecteur interne et calorimètres
coupure sur les variables discriminantes
Tau1P
u.au.a
(ET
vrai τ visible
(ET
vrai τ visible
Tau3Pjet τ identifié
par Tau1P
jet τ identifié
par Tau3P
σ = 10.1%
〈〉 = -1.7%
initié à partir d’une trace
séparation des jets τ avec 1 ou 3 traces
bonne résolution en énergie

ComparaisonComparaison
TauRecTauRec/Tau1P3P I/Tau1P3P I
meilleure efficacité de reconstruction des candidats jets τ de TauRec que ceux de Tau1P3P
efficacitefficacitéé de reconstruction des jetsde reconstruction des jets ττ ::
|η| |η|
normalisée par les τ avec 1 trace normalisée par les τ avec 3 traces
trace de bonne qualité avec Tau1P3P
séparation des jets τ avec 1 ou 3 traces avec Tau1P3P

ComparaisonComparaison
TauRecTauRec/Tau1P3P II/Tau1P3P II
facteur de rfacteur de rééjection des jets QCD :jection des jets QCD :
coupures séquentielles sur les variables discriminantes pour TauRec/Tau1P3P
en gardant la même efficacité de reconstruction et d’identification
1 trace
3 traces
rréésolution ensolution en éénergie :nergie :
meilleure résolution en énergie avec Tau3P
résolutions de TauRec et Tau1P comparables
meilleure résolution en énergie avec Tau3P
bien meilleur facteur de réjection avec Tau1P3P

calcul d’une vraisemblance:
8 variables discriminantes :
REM, ΔET
12, nbr de traces …
pour un efficacité donnée (20 à 70 %)
coupure sur la vraisemblance dépendant
de l’énergie ET
méthode d’identification optimisée seulement disponible pour TauRec
TauRec : identificationTauRec : identification
ε=50%
J2 : R ∼ 40
J3 : R ∼ 100
J5 : R ∼ 200
efficacité reconstruction et d’identification
facteurréjection
mmééthode de vraisemblance :thode de vraisemblance :
1 trace
3 traces
× 4 × 20 × 40
× 1 × 2 × 10
meilleur facteur de réjection avec la vraisemblance (TauRec)
pour Tau1P3P avec une méthode optimisée : meilleurs facteurs de réjection
attendus

RésuméRésumé
TauRec donne de bonnes performances avec la possibilité de démarrer avec
différentes options et a une bonne efficacité de reconstruction
Tau1P3P a une efficacité de reconstruction plus faible, mais un bien meilleur facteur
de réjection et une meilleure résolution en énergie pour les candidats Tau3P
comparaison entre TauRec et Tau1P3P
validation des échantillons Monte Carlo produits par la collaboration
première étude avec le format de données pour analyse (AOD), utilisation des
données les plus récentes et comparaison dans les mêmes conditions
étude avec un plus large éventail d’échantillons (plus grande gamme en ET)
comparaison du facteur de réjection en utilisant la même méthode optimisée
rréésumsuméé ::
contributions :contributions :

IIIIII. Recherche d’un boson de. Recherche d’un boson de HiggsHiggs
du Modèle Standarddu Modèle Standard
Le signal et les bruits de fond
Coupures de sélection
Résultats en simulations rapide et complète
Potentiel de découverte
Résumé

SignalSignal
fusion de bosons vecteurs faibles : V=W, Z
qq → qqVV → qqH (H → ττ)
avec H→ττ→hadron(s) υτ + l υl υτ
mH = 120 GeV/c2
σ×RE = 340 fb
2 jets très énergétiques vers l’avant
pas de jets centraux
2 jets, un vers l’avant et l’autre vers l’arrière
1 jet τ central
1 lepton central
de l’énergie transverse manquante
les bosons émis sont des singlets de couleur
signal :signal :
topologie particulitopologie particulièère :re :
signature dans le dsignature dans le déétecteur :tecteur :
u.a
η quark
η
φ
jets
produits de
désintégration
du Higgs
quarks qui rayonnent les bosons

Bruits de fondBruits de fond
Z + jets où Z→ττ
W+jets et t t
bruit de fond irrbruit de fond irrééductible :ductible :
bruit de fond rbruit de fond rééductible :ductible :
Z + 2 jets avec Z→ττ
calcul des éléments de matrice LO
radiation de gluons « parton shower »
Z+2 jet contient en réalité
Z+3 et même Z+4 jets
problème de double comptage
nouvelle description plus
correcte des processus
multi jets : première étude
ancienne description des
processus multi jets :

PrPréé--sséélectionlection
pré sélection :1 lepton isolé + 1 jet τ + deux jets ou plus
déclenchement sur les leptons : ET
e > 25 GeV ou PT
μ > 20 GeV
coupure sur le ET du jet τ : ET
jet τ > 40 GeV (pour une bonne réjection des faux τ)
étiquetage des jets vers l’avant et l’arrière : 2 jets étiquetés (bien séparés)
coupures decoupures de prpréé--sséélectionlection ::
u.a
u.a
Δηjj
ET
jet pT max (GeV)

Masse invarianteMasse invariante
coupure pour la reconstruction de masse de la paire de τ : mττ
reconstruction de la masse invariante :reconstruction de la masse invariante :
(pT
τ1 + pT
τ2) = pT
l/xl + pT
τ-jet/xτ-jet
= pT
l + pT
jet-τ + pT
manq
j1
j2
Hl
υ υ
υ
jet-τ
approximation colinéaire
où xl et xτ-jet sont la fraction du moment du
parent τ portée par le lepton ( τ→υl υτ l) et par
le jet τ (τ→ υτ had)
nombred’événements
Mττ(GeV/c2)
〈Μττ〉=118+/-10 GeV/c2

SSéélection finalelection finale
mT(l,pT
manq) = ( (ET(l) + ET
manq)2-|pT(l) + pT
manq|2 )½ < 30 GeV
ET
manq > 30 GeV
mjj > 700 GeV
veto sur le jet : pas de jet avec ETj
veto >20 GeV
entre les 2 ”jets étiquetés ”
coupures de scoupures de séélection finales :lection finales :
à haute luminosité ~23 événements se superposent au processus dur
très efficace pour éliminer les bruits de fond
supprime le signal
à basse luminosité : ~4 événements se superposent au processus dur

σ×RE (fb) après la pré sélection et après toutes les coupures :
signification statistique S/√B
RRéésultatssultats
génération
H→ττ
Z+jj
(QCD)
Z+jj
(EW)
Z+j Z+n jets
n=0 à 5
t ⎯t
1.66×104 2.28×104
0.36
10.8
0.11
1.76×104
0.0*
nbr d’événement
30 fb-1
15.3 6.0* 0.9* 3.3 0.0* 0.3*
58.3
0.03
2.74×104
0.20*
29.7
0.51
W+j
coupure de pré
sélection (σ×BR en fb)
6.65 ×104
fenêtre en masse
(σ×BR en fb)
0.01*
signal
bruits de fond réductiblesbruits de fond irréductibles
rréésultats de la simulation rapide :sultats de la simulation rapide :
nouveau résultat
S/√B = 4.7 : Z+jj(QCD+EW), Z+j, t t, W+j
S/√B = 4.4 : Z+n jets, Z+jj(EW), t t, W+j
incertitude théorique ∼30%
sur le bruit de fond Z jets
faible statistique

Premiers rPremiers réésultats avec lasultats avec la
simulation complsimulation complèètete
premiers rpremiers réésultats avec la simulation complsultats avec la simulation complèète :te :
ET
manq est l’observable la plus délicate
effet de l’énergie
transverse manquante
ET
manq simulation
rapide
vraie ET
manqET
manq simulation
complète
rapide complète complète

ÉÉtude des performances de latude des performances de la
simulation complsimulation complèètete
performances avec la simulation complperformances avec la simulation complèète :te :
u.a
acceptance plus faible pour les
électrons et les muons
étalonnage médiocre pour
les jets et les jets τ
ET
manq optimiste avec la simulation rapide
pour le signal : manque de statistique
bruit de fond non simulé
ET
manq (reconstruite)– ET
manq(vraie) (GeV)
σ = 8.1 GeV
〈〉 = 1.2 GeV
σ = 10.6 GeV
〈〉 = -1.1 GeV

découverte possible pour un Higgs de basse masse
115 GeV/c2 < mHiggs < 145 GeV/c2
pour 3 ans à basse luminosité (30 fb -1)
canal très important
expérimentales : ET
manq, identification des τ
simulation : description des Z + n jets
théorique : incertitude ~ 30%
autres : empilement, calibration ….
problème : veto dans la région centrale
Potentiel de découvertePotentiel de découverte
Significationstatistique
découverte
mHiggs (GeV/c2)
5σ
rréésultat :sultat :
erreurs systerreurs systéématiques :matiques :
àà haute luminosithaute luminositéé ::
nouveau point

RésuméRésumé
rréésumsuméé ::
contributions :contributions :
découverte possible pour un Higgs de basse masse mHiggs = 120 GeV/c2
importance de la bonne description du bruit de fond Z+ multi jets
bonne reconstruction de l’énergie transverse manquante primordiale
validation de la simulation rapide
première étude avec le fond Z+ n jets correctement décrit
comparaison des performances d’identification entre les simulations rapide et complète
rapide survol avec la simulation complète
étude du bruit de fond avec beaucoup plus de statistique (Z+n jets)
étude et compréhension des performances de la simulation complète

PerspectivesPerspectives
mise en route :mise en route :
premipremièères donnres donnéées :es :
recherche durecherche du HiggsHiggs ::
comprendre la réponse du calorimètre électromagnétique
avec les données de muons cosmiques
constantes d’étalonnage pour les premières collisions
compréhension des événements de biais minimum
validation et amélioration de l’étalonnage Z→ee
étude des performances de reconstruction et
d’identification pour Z→ττ
étude de l’énergie transverse manquante
compréhension de la description Monte Carlo de Z + n jets
grâce aux données

TransparentsTransparents
supplsuppléémentairesmentaires

Le Modèle Standard
Le boson de Higgs
Le LHC
L’expérience ATLAS
Le détecteur interne
Les calorimètres
Le spectromètre à muons
Le calorimètre électromagnétique
Principe et segmentation
La chaîne de lecture
Coefficients de filtrage optimal
PlanPlan

Le test en faisceau de 2004
Différence entre le signal de physque et d’étalonnage
Prédiction du signal de physique
Reconstruction du signal de physique et d’étalonnage
Ajustement
Reconstruction de l’énergie
Résolution de la réponse en fonction de η sans correction
Résumé
PlanPlan

Processus de physique avec des leptons τ
Les leptons τ
Candidats jets τ
Reconstruction
TauRec : pré-sélection
TauRec : variables
TauRec : identification
Tau1P3P : pré-sélection
Tau1P3P : variables
Tau1P3P : identification
Comparaison TauRec/Tau1P3P I
Comparaison TauRec/Tau1P3P II
TauRec :identification
Résumé
PlanPlan

Signal
Bruits de fond
Pré-sélection
Masse invariante
Sélection finale
Résultats
Premiers résultats avec la simulation complète
Étude des performances de la simulation complète
Potentiel de découverte
Résumé
PlanPlan

LL’’expexpéériencerience
ATLAS au LHCATLAS au LHC

TriggerTrigger
Trigger in ATLAS
High
Level
Trigger
Level 1
2.5 μs
~10 ms
~sec
PC farms
Level 2
Event Filter∼100 Hz
∼1 kHz
∼75 kHz
LVL1
Calorimeter+Muon Trigger,
coarse granularity
LVL2
Region of Interest, All detectors,
full granularity
Event Filter refines the selection,
can perform event reconstruction
using latest alignment and calibration
data (full offline reconstruction)

Le calorimLe calorimèètretre éélectromagnlectromagnéétiquetique

Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
particules η
φ
η
r
développement de la gerbe :
absorbeur plomb : X0=0.56 cm
ionisation de l’argon liquide
électrons d’ionisation
signal
induit par couplage capacitif
collecté par la couche centrale des électrodes
principe :principe :
ddééveloppement de la gerbeveloppement de la gerbe
absorbeur
électrode de lecture

PerformancesPerformances
résolution en énergie :
uniformité en position
< 0.7% jusqu’à 300 GeV
linéarité en énergie
< 0.5 % pour des énergies de 10 GeV jusqu’au TeV
performances :performances :
limites imposées par la physique: boson de Higgs (H→γγ), bosons lourds (Z’→ee)
terme échantillonnage :a ~ 10 % √(GeV)
bruit b : ~ 0.3 GeV à basse luminosité
~ 0.5 GeV à haute luminosité
terme constant : c ~ 0.7 %
mesurées en test en faisceau

Tests électriquesTests électriques

Profondeurs du calorimProfondeurs du calorimèètretre
éélectromagnlectromagnéétiquetique

signal de physique signal d’étalonnage
Reconstruction du signalReconstruction du signal
d’étalonnage et de physiqued’étalonnage et de physique
pour différents
courants injectés
amplitude(u.a)
coupsd’ADC
temps (ns) temps (ns)
signal de physique :signal de physique :
électrons de 250 GeV 0 < η < 0.8
coupures de sélection
cellules avec assez d’événements
module
η
η=0.8
φ
φ
particules
gphysique gétalonnage

méthode de convolution en temps (TCM)
utilise les formes de physique et d’étalonnage
Prédiction du signalPrédiction du signal
de physiquede physique
transformée de Laplace
τcali= constante de décroissance
fstep= 0.065
Td = 450 ns temps de dérive
τr = rC
τ0 = √(LC)
τcali
≠
fstep
Td
prpréédiction du signal de physique :diction du signal de physique :
point d’injection
≠
étalonnage
physique
gphysique prédite= gétalonnage* H(t)
ajusté à la gphysique
τcali
forme du signal
paramètres
libres:paramètres
fixés:
g physique prédite(s)= g étalonnage(s)

MMphysiquephysique//MMéétalonnagetalonnage
MMphyphyss
MMcslicsli
A correction for the Mphysique/Métalonnage factor is needed (5-10%)

LL’’identification des leptonsidentification des leptons ττ

Efficacité, réjectionEfficacité, réjection
nbr vrai τ hadronique
eff reconstruction et d’identification =
nbr candidat jet τ (reconstruit,identifié jet τ et venant d’un vrai τ hadronique )
facteur réjectionjets QCD =
nbr vrai jet partonique (q,g)
nbr candidat jet τ (reconstruit,identifié jet τ et venant d’un vrai parton )
eff reconstruction =
nbr candidat jet τ (reconstruit et venant d’un vrai τ hadronique )
nbr vrai τ hadronique

bosons de Higgs d’une extension Supersymetrique
du Modèle Standard (MSSM) (A/H, H+)
A0/H0 → ττ,
H+- → τ+-+ντ
signature de processus supersymètrique avec des τ
dans l’état final
dimensions supplémentaires … nouvelles théories (?)
ddéésintsintéégration du(des) bosons degration du(des) bosons de HiggsHiggs ::
processus exotiques :processus exotiques :
LeptonsLeptons ττ : au: au--dela dudela du
ModModèèle Standardle Standard
mA (GeV)
tanβ

ττ distributiondistribution
ET (MeV)

TauRecTauRec II

TauRecTauRec IIII

Tau1P3P ITau1P3P I

Tau1P3P IITau1P3P II

Tau1P3P IIITau1P3P III

ττ triggerstriggers
Possible way of selecting taus with the ATLAS trigger
Lepton Trigger
trigger with the electron or the muon
Hadronic Tau Trigger
- LVL1 Tau Trigger ( Calo)
use EM (0.2×0.2) and hadronic (0.2×0.2) towers to define
a Region of Interest and also for the isolation
in the EM (1.2×1.2) and hadronic (1.2×1.2) calorimeter
- LVL2 Tau Trigger ( Calo+Tracking)
evaluating offline variables : em radius of the cluster, width
in energy deposition, isolation fraction, track …
- Event Filter
based on the default τ-jet reconstruction code
τ
ν
lepton
τ
ν
hadrons
PRELIMINARY
τ trigger efficiency : still under evaluation

LVL1 TauLVL1 Tau--TriggerTrigger
‘
Hadronic Cal.
EM Cal.
2-Tower
EM cluster
• A 2x2 tower EM cluster + 2 x 2
hadronic cluster used to ID cand.
ROIs
• A 2x1/1x2 tower EM clusters added to
the energy in the hadronic inner region
(shown in red) is compared to a
threshold. There are 4 in the ROI the
highest ET is taken.
• A ring of 12 EM towers surrounding
the clusters, which is used for isolation
in the EM calorimeters
• 12 hadronic towers (behind the EM
isolation ring) for isolation in the
hadronic calo.
Tau trigger at LVL1

Le ModLe Modèèle Standardle Standard
etet
le boson de Higgsle boson de Higgs

SimulationSimulation
Génération
Simulation rapide Simulation complète
Génération des événements :
• processus de production
• désintégrations successivesgénérateur Monté Carlo : Pythia 6.205
listes des particules qui arrivent au niveau du détecteur (η, φ, E, P)
• interaction de chaque particule avec le
détecteur (Geant 3)
• reconstruction des traces et des amas
d’énergie (Athena 7.8.0)
• identification des particules
• on applique à chaque type de particule
l’efficacité d’identification du détecteur
• on dégrade l’énergie et la position des
particules en fonction de la résolution du
détecteur (Atlfast 2.60)
listes des particules reconstruites détecteur (η, φ, PT) :
électrons, muons, jets de taus, photons, jets
analyse d’un canal de physique

DDééfinitionsfinitions
N=∫Ldt×σ×ε
L: luminosité (cm-2s-1) nombre de particules/unité de surface
qui tient compte de la fréquence de collision, de la densité et
de la forme du faisceau par unité de temps
σ: section efficace (cm2) proportionnelle à la probabilité que
l’interaction ait lieu
ε=Naprès/Navant×100(%) ε: efficacité des coupures (en %) sur le Pt, etc …
on veut augmenter le rapport Signal (S) sur Bruit (B)
(pour le signal)
RE : rapport d’embranchement où Г représente la
largeur désintégration (Г =1/τ, τ temps de vie)
σ(mH)/<mH> ×100(%) résolution de la masse du Higgs(%)
R=Navant/Naprès
R: facteur de rejection des coupures sur le Pt , etc … il doit être
grand de manière à supprimer le bruit de fond
(pour le bruit de fond)
S/√B
RE = Г(H→ττ)/Г(H)
Signifiance (en nombre de σ) où S désigne le nombre
d’événements de signal et B celui de bruit de fond
3σ = évidence et 5σ = découverte

Principe d’un générateur MontePrincipe d’un générateur Monte
Carlo 1/2Carlo 1/2
gerbe de parton (PS) dans l’état initial
et final (comme Pythia,Herwig)
éléments de matrice : NLO
sous-processus « dur » :
désintégration des résonances :
ref : LHC Physics Event Generator
Torbjon Sjostrand
Simulation of High Multiplicity
Jet and Lepton Final-States
Peter Richardson
calcul le résultat à un ordre donné
et/ou

Principe d’un générateurPrincipe d’un générateur
Monte Carlo 2/2Monte Carlo 2/2
ISR,FSR ou/et éléments de matrice
hadronisation:
PYTHIA : modèle de LUND
(modèle des cordes)
hadronisation:
HERWIG : modèle des amas
désintégration : hadroniques,τ…

backgroundbackground
irreducible background:
Z + jets (EW and QCD) where Z → ττ
reducible background :
W + jets (EW and QCD) where W → lνl l=e,μ
t⎯t → WbWb where one W → lνl l=e,μ,τ and the other W → all
a light quark or a b jet could fake a hadronic τ decay
and tagging jets could come from either W decay or
initial/final state radiation

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