julien morel sous la direction de fabienne ledroit

1

I - Du Z aux Z’ II - Les Z’ au LHC III - Les études Z’

Julien MORELsous la direction de

Fabienne LEDROIT

7 novembre 2008

Recherche d'une nouvelle résonance Z' dans le canal

diélectron avec le détecteur ATLAS

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Plan de l’exposéI - Préliminaires : du Z aux Z’

•Théorie et découverte du boson Z•Motivations théoriques pour de nouvelles

résonances•Contraintes actuelles

II - Phénoménologie des Z’ au LHC•La production de Z’ au LHC•La reconstruction avec le détecteur ATLAS

III - Études des Z’ avec ATLAS•Potentiel de découverte des Z’•Recherche d’un Z’ dans des données expérimentales•Étude du spectre en rapidité

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I - Du Z aux Z’ II - Les Z’ au LHC III - Les études Z’GWS UA GUT LEP TeVatron LHC

1960 - Les bosons de jauge lourds dans le MS

Structure de l’interaction faible

3 bosons de jauge notés W1,W2 et W3 – couplage g Potentiel de Higgs2 paramètres : et

Dans le vide du champ de Higgs

Structure de l’électrodynamique quantique

1 boson de jauge noté B – couplage g’

Électrodynamique quantique non brisée

Photon sans masse – couplage eBosons W+, W- et Z massifs – couplage GF

Brisure spontanée de symétrieCouplages entre W, B et le champ de Higgs

4


1984 – L’observation du Z aux expériences UADétecteursCollisionneur q

q

e

e

Processus

, Z

5


1985 - Théorie de grande unification E6

• g, g’ et gS prennent des valeurs similaires.

Pour E1014 GeV

•Les groupes SU(3)C, SU(2)L et U(1)Y du MS proviennent d’un même groupe plus grand ?

•Non observés supposés très lourds.•Ils n’affectent pas la largeur de désintégration du

Z’.

Les nouveaux bosons du groupe E6 …

… mais aussi de nouveaux fermions

•

• Au moins un état propre de masse à l’échelle du TeV :

2 groupes U(1) supplémentaires

6


De 1990 à 2000 – Contraintes indirectes électrofaiblesExemple de limites obtenues avec le paramètre

Limites obtenues avec les mesures de précisions EW à LEPModèle ad-hoc identique au Z mais en plus

lourdAngle de mélange Z/Z’ (analogue à w du MS) très petit

Mesure de

7


2008 - Limites sur la recherche directe

CDF Run II – Canal électronique – L=2.5 fb-1

Pas d’observation directe jusqu’à 700 GeV

Analyse de section efficace

8


2009 - L’ère LHC

II - Phénoménologie des Z’ au LHC

La production de Z’ au LHC•Le collisionneur LHC du CERN•Le processus pp Z’ l+l- +X à 14 TeV•Le spectre de masse invariante•Les corrections d’ordre supérieur

La reconstruction avec le détecteur ATLAS•Vue d’ensemble du détecteur ATLAS•Les sous-détecteurs utilisés : détecteur interne et calorimètre EM•Reconstruction et identification des électrons•Sélection des Z’

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Le collisionneur LHC du CERN

Le complexe d’accélérateurs du CERN

Les caractéristiques machine

Duoplasmatron + cavité RF Faisceau continu de 750 keV

Source de protons

Collisionneur proton-proton

Circonférence :27 km

Champ magnétique dipolaire :8.33 Tesla

Energie centre de masse : 14 TeV

Nombre de protons par paquet :1011

Nombre de paquets :~2000

Luminosité instantanée

basse :1033 cm-

2s-1

(10 fb-1 par an)haute :1034 cm-

2s-1

(100 fb-1 par an)Fréquence de croisement : 40 MHz (25 ns)

Nécessité d’un système de déclenchement efficace

10


Le collisionneur LHC du CERN

Le domaine cinématique Planning du LHC

1980 Début conception de l’accélérateur

1994 Acceptation du projet

1998 Début des travaux

10 septembre 2008 1er faisceau

19 septembre 2008 1ère panne …

Printemps 2009 1ères collisions ?

20?? première découverte ?

•SUSY ?•Higgs ?•Trous

noirs ?

•Z’ de GUT ?•Z’ de Dim.

Supp. ?•…

Mais probablement autre chose ou un mélange de

tout cela …

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Le processus pp Z’ l+l- +X à 14 TeV

Pic du Z’Processus Drell-

YanInterférence /Z’ et Z/Z’

Processus partonique

Contributions dominantes

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Le spectre de masse invariante

Corrections d’ordres

supérieurs

Masse invariante des deux leptonsde l’état final

Masse invariante des deux leptonsde l’état final

Zone d’interférence / Z / Z’

Contribution du Z’

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Resommation

+6%-3%

Les corrections QCD d’ordre supérieurCorrections au vertex

Emission de particules réelles Calculs théoriques :

Ordre fixe + resommationApproche MC :Ordre fixe (MC@NLO) + Parton shower (Herwig)

Facteurs K

PDF 5%

Incertitudes théoriquesNLO + Resommation 10%

Variation d’échelle

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II - Phénoménologie des Z’ au LHCLa production de Z’ au LHC

•Le collisionneur LHC du CERN•Le processus pp Z’ l+l- +X à 14 TeV•Le spectre de masse invariante•Les corrections d’ordre supérieur

La reconstruction avec le détecteur ATLAS•Vue d’ensemble du détecteur ATLAS•Les sous-détecteurs utilisés : détecteur interne et calorimètre EM•Reconstruction et identification des électrons•Sélection des Z’

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Vue d’ensemble du détecteur ATLAS

Détecteur interne

Trajectoires des particules chargées

Solénoïde 2 Tesla

Calorimètre argon liquide

Énergie des particules

électromagnétiques et hadroniques

Calorimètre à tuiles

scintillantesÉnergie des jets hadroniques

Chambres à muons

Impulsion des muons

Toroïde 4 Tesla

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Le détecteur interne

22

13

3

2

1

3

•Mesure des traces des particules chargées•Mesure précise des angles pour la

reconstruction de la masse invariante

Détecteur à pixelsDétecteur à micropistes de siliciumDétecteur à rayonnement de transition

Utilité du détecteur interne pour Z’e+e-

Couverture ||<2.5

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Le calorimètre électromagnétique

2

1

2

1

•Identification des électrons •Mesure précise de l’énergie des électrons

Partie centrale ||<1.52Partie bouchon ||<3.2

Utilité du calorimètre EM pour Z’e+e-

12

Cellules du calorimètreTrois compartiments + PS

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Reconstruction et identification des électrons

Amas de cellules

+

Trace associée

Candidats électronsCritères d’identification des électrons

Sélection Loose : • de l’amas

<2.5•Fuites

Hadronique•Forme de la

gerbe dans le compartiment 2

Sélection Medium : Loose +

• de la trace <2.5•Paramètre d’impact

< 0.1cm•Forme de la gerbe

dans le compartiment 1

Sélection Tight: Medium +

•Association de trace•E/p•Critères sur le

rayonnement de transition

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Reconstruction et identification des électronsCritères de sélection des électrons

Le critère Tight ne

convient pas pour des

électrons de haut pT

E 500 GeV

N.B : La résolution ne

dépend ni de la sélection ni de

l’énergie.

21% des

électrons

4% des électro

ns

75% des

électrons

Résolution en énergie pour le critère Loose

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Sélection des Z’

Efficacité de sélection d’un Z’χde 1 TeV

Efficacité totale = Géométrique Sélection

45% à 1 TeV

Reconstruction de la masse invariante

Résolution sur la masse 1%

Très bonne linéarité

Critères de sélection :

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Rejet du bruit de fond

La mauvaise identification des photons et des jets induit de

grandes sources de bruit de fond

Bruit de fond avant sélection Après sélection

Le Drell-Yan est la principale source de bruit

de fond

|η|<2.5pT>65 GeV

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III - Études des Z’ avec ATLASPotentiel de découverte des Z’

•Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’•Analyse statistique•Potentiel de découverte des Z’ « usuels »•Étude indépendante du modèle théorique

Recherche d’un Z’ dans des données expérimentales•Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un

Z’ •Estimation de l’effet “Look Elsewhere”•Recherche d’un Z’

Étude du spectre en rapidité•Ajustement des couplages u et d via la distribution en

rapidité•Analyse sur des pseudo-expériences

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Principe de l’analyse

Paramétrisation plus rapide + analyse statistique FFT quelques secondes

Analyse basée sur des simulations

Test de nombreuses hypothèses :Simulation complète + analyse statistique par tirage de pseudo-expériences plusieurs jours de calcul

Au niveau reconstruit

Processus étudié : pp /Z/Z’ e+e-

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Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’

Factorisation des PDF

4 paramètres phénoménologiquesMZ’, Z’, APeak et AInterfThéoriquement

Z’, APeak et Ainterf sont calculables à partir de MZ’, des couplages du Z’ et

de Pqq

1

2

3

123

Contribution du DY sans le pic du ZContribution de la résonance du Z’Interférence entre le Z’ et les bosons /Z

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Paramétrisation du spectre de masse invariante au niveau génération

approche “théorique”

En variant Z’En variant MZ’

En variant AinterfEn variant APeak

approche “phénoménologique”

Z’, APeak et Ainterf calculés à partir

des couplages pour les Z’ usuels à 2 TeV

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Paramétrisation+

Facteurs K

Spectre au niveau reconstruit

ATLAS full sim ATLAS full sim

Paramétrisation du spectre de masse invariante au niveau reconstruit

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Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’

Au niveau généréComparaison avec NLO - NLL

Accord < 4%

Au niveau reconstruitComparaison avec simulation complète

Accord ~10% < Incertitudes théoriques.

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Analyse statistique

Estimation du potentiel de découverte

Mise en place d’une méthode de recherche dans les

données

Hypothèse 1

/ Z / Z’

Signal + Bruit de

fond

Hypothèse 0

Modèle Standard

Bruit de fond seul

Méthode statistique de comparaison de spectres

Comment découvrir / rechercher un Z’ ?

Paramétrisation

Paramétrisation

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Analyse statistiqueDifférentes méthodes statistiques

Efficace sur tout le spectre

Pas d’ajustement de fenêtre

On conserve toute

l’information Intéressant pour

effectuer une recherche

5 avec 1 événeme

nt !

Comptage d’événements :

Comparaison des spectres :

30


Analyse statistique

Comparaison de deux spectres

Hypothèse bruit de fond

Hypothèse signal

Quantité discriminante : rapport des vraisemblances

dans l’hypothèse signaldans l’hypothèse bruit

va permettre une séparation des deux hypothèses

Fonctions de vraisemblance :

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Analyse statistique

Hypothèse bruit de fond

Hypothèse signal

Comparaison de deux spectres

Choix de la significance statistiqueSignificance CLs « fréquentiste modifiée » :

Utilisation de l’expérience médiane comme expérience la plus probable pour estimer le potentiel de découverte.

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Potentiel de découverte des Z’ « usuels »

1 fb-1 2- 2.5 TeV10 fb-1 > 3 TeV

Utilisation de l’ approche “théorique”

L/L 20 %

Forme :

Normalisation :

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Étude indépendante du modèle théorique

Renseigne sur l’ordre de grandeur du potentiel de découverte

de “tous les Z’ ”

Luminosité intégrée nécessaire pour une découverte à 5

Utilisation de l’ approche “phénoménologique”En fixant APeak et Ainterf Balayage de l’espace MZ’, Z’

•Apeak fixé à 300 ( 400 pour les Z’ usuels) •Ainterf fixé à 0•MZ’ balayée de 1 TeV à 3.5 TeV par pas de 100 GeV

•ΓZ’ /MZ’ balayé de 0.2% à 10% par pas de 0.2%

Accessible avec 1 fb-1

34








35


Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un Z’

Comparaison des données à différentes hypothèses

Étude Monte-CarloPour préparer l’arrivée des données, deux analyses sont nécessaires :

•50 000 pseudo-expériences de bruit de fond Effet « Look Elsewhere »•50 000 pseudo-expériences de signal Performance de la méthode

•Apeak = 300•Ainterf = 0 •MZ’ = 1 TeV à 3.5 TeV par pas de 10

GeV•ΓZ’ /MZ’ = 0.2% à 10% par pas de

0.2%

7500 hypothèses Z’ différentes

On s’intéresse à l’hypothèse qui retourne la significance

maximum

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Distribution des Smax obtenus en recherchant un Z’ dans des pseudo-expériences “bruit de fond”

Quantification de l’effet “Look Elsewhere”

Hypothèse

« Bruit de fond »

Estimation de l’effet “Look Elsewhere”Effet “ Look Elsewhere”

Données Hypothèse

« Signal N »

Hypothèse

…« Signal 2 »

Hypothèse

« Signal 1 »

4.610-2 pour une évidence à 3σ

(6 10-5 par definition)810-5 pour une découverte

à 5σ (6 10-7 par définition)

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Recherche d’un Z’

Pour un Z’χ de 2.5 TeV et 1 fb-1

Cette méthode est utile pour estimer la présence d’un Z’ et pour estimer sa masse.

Elle pourra être appliquée sur les premières données.

Distribution des Smax obtenus en recherchant un Z’ dans des pseudo-expériences “Signal Z’χ à 2.5 TeV”

52% Évidence de Z’ Estimation de sa masse à ~50 GeV

3% Évidence d’un faux Z’45% Le Z’ nous échappe

38








39


Ajustement des couplages u et d via la distribution en rapidité

Informations sur les couplages aux quarks u et d Discrimination des modèles

Ajustement des quantités PqqZ’

Variables à ajuster Fonction d’ajustement

MZ’=1.5 TeV L130 fb-1

MZ’=1.5 TeV L130 fb-1

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Analyse au niveau reconstruit

MZ’=1.5 TeV L130 fb-1

MZ’=1.5 TeV L130 fb-1

Ajustement des quantités PqqZ’

Fonction d’ajustement

Les distributions (Y) Yq(Y) sont normalisée à 1.

L’efficacité de sélection ne dépend que de la rapidité du Z’

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Analyse sur des pseudo-expériences

Étude Monte-Carlo avec 10000 pseudo-expériencesModèle SSM à 1.5 TeV avec

130 fb-1Modèle χ à 1.5 TeV avec 130

fb-1

Analyse discriminante efficace sur une observable simple à reconstruire

Biais dû à la non considération des quarks s

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Rapidité

Estimation du rapport des

couplages u / d

Potentiel de découverte

1 fb-1 2- 2.5 TeV10 fb-1 > 3 TeV

Recherche de Z’

Évidence et estimation de la

masse

Paramétrisation du spectre en masseConclusion

Interface WEB de la paramétrisation

Processus hadronique

Facteurs K+Efficacité

Résolution

http://lpsc.in2p3.fr/atlas/morel/?p=Recherche/Pheno_Form.php



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+

Perspectives

Rapidité


couplages u / d


1 fb-1 2- 2.5 TeV10 fb-1 > 3 TeV

Recherche de Z’


masse

Paramétrisation du spectre en masse



Facteurs K

Efficacité

Résolution

Applications

Canal muon

GravitonZ’KK

Techni-Techni-

Étude des bruits de fond avec les données

(facteur de rejet électron – jet)

Utiliser d’autres observables

(paramétrisation de l’asymétrie avant-arrière

pour une étude MC approfondie)

Adaptation de la paramétrisation aux processus à plusieurs résonances.

Étude et optimisation des performances de reconstruction et d’identification des électrons de haute énergie.




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Rapidité


couplages u / d


1 fb-1 2- 2.5 TeV10 fb-1 > 3 TeV

Recherche de Z’


masse

Paramétrisation du spectre en masseConclusion



Facteurs K+Efficacité

Résolution




45


FIN

46


•Champs de jauges dans le Bulk

•Higgs confiné sur la brane du TeV

•Fermions dans le Bulk avec une localisation particulière

•Couplages non universels pour le Z’

[ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, Hep-ph/0602155 ]RS avec matière dans le bulk :

Randall-Sundrum with bulk matter

•Nouvelle interprétation de la hierarchie de masse des fermions•Compatible avec des théorie de grande unification [hep-th/0108115] .•Excitation de KK forment des candidats WIMP.

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Fermion mass in the RS model

22 25D me c : tri k yds e dx dx dy

12S Z

( warp factor)TeV brane Gravity scale : ckRPl PlM e M wM w

4Fermion localization : i i id x dy Gm where RS metric determinantG

( )

0

1( , ) ( ) ( )2

n ii i n

nc

x y x f yR

i im c kFermion 5D masses :

Effective 4D masses matrix:(5)

0 0( ) ( )2ij i j

ijc

YM dy G H f y f y

R

ci = new dimensionless parameters

| |( ) ic k yinf y e

kij = new parameters related to the yukawa coupling

RS model : 1 spatial X-dim compactified over S1/Z2 with radius Rc

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Contraintes indirectes

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Duoplasmatron

Entrée du gaz

Les électrons ionisent le gaz

Anode( V = -70 Volts )

Extracteur( V = -30.103 Volts )

Filament à revêtement d’oxyde( V = -100 Volts )

Bobine

Faisceau d’ions positifs

Les ions migrent vers le potentiel négatif

Plasma (gaz ionisé +)

e-

HH+

50


Segmentation du calorimètre EM

51


Segmentation du calorimètre EM

52


Resolution et linearité des amas EM

-0.1-0.08-0.06-0.04-0.020 0.020.040.060.080.10

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

-0.1-0.08-0.06-0.04-0.020 0.020.040.060.080.10

2

4

6

8

10

-0.1-0.08-0.06-0.04-0.020 0.020.040.060.080.10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Barrel Crack End-cap

Entries = 23038 Entries = 483 Entries = 3742

EE

∆ EE

∆ E

EE E

E E

E

Barrel : • 78 % of clusterE resolution = (1 ± 0.01) % E linearity = (0.5 ± 0.01) %pT resolution = (2.3 ± 0.01) % pT linearity = (-0.7 ± 0.01) %

Crack :• 3 % of cluster• Poor resolution• Poor linearityEnd-cap : • 19% of cluster• Long tailsE resolution = (1.2 ± 0.02) % E linearity = (0.46 ± 0.02) %pT resolution = (2.8 ± 0.02) % pT linearity = (-0.6 ± 0.03) %

Shift

Overflows

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Z’ reconstructed with 2 EM clusters

Z’Gene) / MZ’Reco -MZ’Gene(M-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 -0 0.05 0.1 0.15 0.20

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


10

20

30

40

50

60

70

80


100

200

300

400

500

600

700Barrel - Barrel Barrel - Crack Barrel - End-cap

Entries = 7621Mean = -0.002449 ± 0.00018Sigma = 0.0127 ± 0.0002

Entries = 847

ll

ll

mm ll

ll

mm ll

ll

mm

Shift

2 amas centraux : mll resolution = (1.3 ± 0.02) %

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Résolution sur la masse invariante

Mass [TeV]

σ ga

ussi

an

55


Bruit de fond top anti-top

56


Identification de la charge

57


Rapport de maximum de vraisemblance

58


Résultat muons

SSM à 1TeV χ à 1TeV

59



60


Ajustement de Y avec les quarks s

61


Analyse au niveau génération

Étude Monte-Carlo avec 10000 pseudo-donnéesModèle SSM à 1.5 TeV avec

130 fb-1Modèle χ à 1.5 TeV avec 130

fb-1

Biais du à la non considération des quarks sRésultats compatibles à 2

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Efficacité de sélection des qqZ’ e+e-

Deux e émis dos-à-dos …

On ne sait pas d’où vient le quark … Collisionneur pp

Centre de masse Laboratoire

Boost fixé par les PDF

Asymétrie

dépendante des

couplages

Identique pour tout les spin 1

Efficacité ne dépend que de la rapidité (du boost)

julien morel sous la direction de fabienne ledroit

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