ursula bassler1soutenance d'habilitation 28/11/2003 aspects de la physique hadronique: de la...

Ursula Bassler 1soutenance d'habilitation 28/11/2003

Aspects de la physique hadronique:

de la structure du proton au quark top

…en passant par les calorimètres


Curriculum Scientifique1991-1993: thèse de doctorat, Université Paris VI1993-1994: mesure de F2 sur les données 19931994-1995: qualification du SpaCal1994-1996: mesure de F2 sur les données 19941996-1997: mesure de F2 à bas Q2, données 19951997-1999: mesure des sections efficaces à grand Q2, données 94-97

1998: adhésion à la collaboration DØ1999-2000: installation du système de calibration en-ligne2001-2002: co-responsable de la qualification du calorimètre2002-2003: co-responsable du groupe "identification des électrons"2003-2004: co-responsable de l'ensemble "algorithmes calorimétriques"

2001-2003: membre de l'"Advisory Council" de DØ2001-2004: membre du Conseil Scientifique du LPNHE2003-2005: membre du comité d'évaluation CVI de l’INFN

1996-2000: responsable des "réunions du vendredi" du LPNHE 1999: co-ordinatrice de la session "fonctions de structure" à DIS99 1999: co-responsable du groupe DØ du LPNHE 2000: co-organisatrice des "Journées Jeunes Chercheurs 2000" 2003: organisatrice de la Biennale 2003 du LPNHE

H1

DØ

autres

comités


Encadrements stages et thèses


Plan de l’exposé

Motivations: ingrédients pour la physique au collisionneurs hadroniques

La calorimétrie de DØ: qualification du calorimètre calibration en-ligne algorithmes de reconstruction

Les mesures des fonctions de structure de H1: reconstruction cinématique principaux résultats

Conclusions et prospective: la physique du top


Motivations

à condition de:

maîtriser l'état initial et final: connaissance des densités de partons modélisation de l'état final hadronique calculs des sections efficaces aux ordres supérieurs

modéliser les bruits de fonds: comprendre les bruits détecteur et accélérateur connaissances des interactions "molles" évaluer la contribution des processus avec les mêmes signatures expérimentales

comprendre les performances du détecteur: calibrations, en particulier des jets efficacités de reconstruction

Les collisionneurs hadroniques permettent d'explorer les interactions des particules aux plus hautes énergies:


Tevatron

HERA et LHC

les expériences de HERA permettent: d'étendre le domaine cinématique mesuré des densités de partons (pdf)

de confirmer la validité de l'évolution des pdf par la QCD perturbative (équations de DGLAP)

de déterminer le comportement de la densité de gluons à petit x

de contraindre la région à grand x dans le domaine perturbatif

d'améliorer la modélisation de l'état final hadronique


Tevatron et LHC

Les expériences du Tevatron permettent: de vérifier les prédictions QCD dans un environnement hadronique

de contraindre d'avantage les paramètres électrofaibles, en particulier pour la recherche du Higgs

d'étudier les propriétés du quark top, un des bruits de fond majeur du LHC

d'affiner des algorithmes de reconstruction et des techniques d'analyse, bien que pour des expériences à plus petit échelle

de démarrer des détecteurs pour la dernière fois avant le LHC


Tevatron – Run II

2000 : mise en service du "Main Injector" (tests + cible fixe) 2001: installation des expériences, début du Run II en avril opération du Tevatron en mode 3636 à 980 GeV / faisceau luminosité maximale atteinte:

5 1031 cm-2 s-1

luminosité intégrée: 210pb-1Main Injector

(new)

Tevatron

DØCDF

Chicago

p source

Booster

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

FY02 FY03 FY04 FY05 FY06 FY07 FY08 FY09

projections de luminosité: de 4 à 9 fb-1 en 2009


Le détecteur du Run II

Nouveau Système de mesure des traces: solénoïde, Silicium,Fibres Scintillantes, pied de gerbes

Calorimètre: Nouvelle Électronique, Trigger, DAQ

Blindage

Mesure des : MDT, PDT, scintillateur

DD


Calorimètre – nouvelle électronique

55000 canaux Ur/Argon liquide améliorations pour le Run II:

remplacement de l'électronique afin d'accommoder un temps d’interaction de 132 ns

55k dual FET PreAmps 23k Switch Capacitor Arrays (SCA)

avec 8M cellules de stockage sur 1200 BaseLineSubtraction (BLS)-boards

~ 50 mauvais canaux (~0.1%)

DD


Calorimètre: électronique

Preamp/Driver

L2 SCA

LAr cell

Calibration

ADC

Trig. sum

Filter/Shaper

x1

x8

BLS

Analog Storage

BLS board

PreAmp Board

4 * L1 SCA (48 deep)

DD

BLS (Base Line Subtraction): mise en forme du signal mémoires analogiques, soustraction de la ligne de base sélection des gains

ADC: digitation suppression de 0


Calorimètre: bruit électronique

/C vs. channel

total: 46938 channels le bruit électronique mesuré ( du piédestal) en coups ADC dépend de la taille de la cellule (sa capacité) et de la capacité de “feedback” du type de PreAmpli le comportement de ce bruit correspond aux valeurs attendues pour les canaux qui fonctionnent correctement le bruit en coups ADC est approximativement le même qu’au Run I plus élevé en énergie (inversion des résistances, non-linéarité des SCA)

DD

gain 8

gain 1

EC

NW

CC

W

EC

SW

EC

SE

CC

E

EC

NE


Algorithmes: NADA

Identification des cellules chaudes et isolées du calorimètre

calorimètre

AIDA - Run I: seulement les dépôts d’énergie des cellules isolée longitudinalement sont considérés bonne efficacité (99%) mais taux élevé de misidentification (~10%)

NADA - Run II: le critère d’isolation tient compte de toutes les cellules voisines efficacité encore bonne (90%) et faible taux de mis identification (0%) !! abaissement du seuil d’énergie possibletaux de mis identification encore faible (< 1%)

• inclus dans la reconstruction de DØ depuis 2001• adapté à partir de la "ynoise-suppression" de H1

DD


Algorithmes: T42

sélection de toutes les cellules avec un signal > 4 entre 2 et 4 uniquement les voisins sont gardés développé à partir de l'algorithme TNS de H1 mais rejet des cellules d’énergie négative

What neighbours means

DD


Reconstruction de J/ et DD

reconstruction des électrons à basse énergie avec/sans T42

meilleur efficacité de reconstruction, avec un peu plus de bruit de fond:

les coupures de sélection doivent être adaptées

meilleure résolution en énergie


La calibration électronique précision sur la linéarité des courants: < 0.1% incertitude principale: capacités parasitiques

DDPulser Interface: configuration automatique

12 Pulsers délivrentcourants continues hauteur du pulsecommandes du début du pulse

6 répartiteurs actifs avec 16 bascules forment le signal de calibration


Calibration: Résultats

stabilité des gains sur une année

DD

pulser shaper output

pulser ADC-readout

mesure du signal de calibration après shaping et après digitation inversion des résistances d'adaptions de gain BLS/ADC

comparaison de la réponse gain1/gain8 non-linéarité des SCA

intercalibration des gains des canaux électronique

non-linéarité des SCA


Calibration: Z ee

effet des différentes corrections de calibration appliquées à l'énergie des électrons

MZ/GeV sZ/GeV sZ/MZ

énergie brute 81.5 3.6 4.4%

non linéarité 86.7 3.7 4.3%

calibration gains 86.6 3.6 4.2%

ajustement Z ee (données/simulation)

86.5 3.6 4.1%

corrections en des matériaux morts (simulation/pdg)

91.2 3.7 4.0%

corrections calibration en ligne 91.2 3.5 3.8%

DD


Calibration: Corrections

1% 1%

calibration physics

Correction pour le temps d’échantillonnage du signal (effet ~1%) variation canal/canal pour la différence calibration/physique (~1%)

DD


Calibration: les jets

différence entre données et simulation à grand énergie terme constant? simulation des cracks? compensation?

calibration des jets à partir des événements +jets

résolution déterminée à partir des événements di-jet, utilisant: |pt1-pt2/pt1+pt2|

DD


Calorimètre: prospectives

buts:

erreur su l'échelle en énergie électromagnétique: < 1%

erreur sur l'échelle en énergie des jets ~2%

détermination de la résolution em à partir des données:

calibration par les resonances Z, J/,

calibration en E/p

amélioration de la simulation des matériaux morts

études de l'influence des cracks

correction de diaphonies

mesure de e/, vérification de la compensation

reponderation de l'énergie hadronique à la H1

DD


HERA

H1ZEUS

Hambourg unique collisionneur ep: 27GeV(e±) 820/920 GeV (p)

démarrage 1991, arrêt machine 2000/2001 pour augmenter la luminosité

temps de croisement: 96ns

luminosités intégrées HERA I:

e+p s=300 GeV: 35 pb-1(94-97)

e+p s=320 GeV: 77 pb-1(99/00)

e-p s=320 GeV: 14 pb-1(98/99)


DIS à HERA

variables cinématiques:

moment de transfert

Q2= - (e-e')2

paramètre d'inélasticité

y=(p· ) /(p· e)

fraction du moment du proton

x=Q2/ (p· e) = Q2/y · s

les interactions de diffusion profondément inélastique à HERA permettent de sonder la structure du proton à une échelle 10-18 m

mesure à la fois de l'électron diffusé et de l'état final hadronique

'

e

pe'


Régions cinématiques à HERA

extensions par rapport au expériences sur cible fixe: accès à la région à bas x et bas Q2

extrapolation à grand Q2

mesure à grand x grâce à des méthodes hadroniques mesure de S

mesures à grand y

détermination de FL

mesure NC/CC au sein des mêmes expériences mesures en e+/e- vérification des prédictions électrofaibles détermination de xF3


Les fonctions de structurePour des interactions à courant neutres (NC):

fonctions de structure généraliséesfonction de structure longitudinale généraliséecontribution non-négligeable à grand y

contributions non-négligeables à Q2>10000GeV2

en ne considérant uniquement l'échange électromagnétique:


Les ajustements NLO-DGLAPL'évolution de F2 dépend des densités de quarks et de gluons:

Les densités de partons sont définis par:

non-singlet

singlet

gluon

La forme des densités de partons est paramétrée:

L'évolution des pdf est donnée par les équations DGLAP:


La structure du proton

densités de partons/gluons dans différentes régions cinématiques:

bas Q2: domaine non-perturbatif description des section efficaces par des modèles du type Regge

évolution à grand Q2: termes dominants en log Q2 équations DGLAP comportement en x non-contraint

évolution à bas x: termes dominant en log1/x logQ2 équations BFKL densité de gluons en x- , 0.5


La reconstruction cinématique

4 quantités mesurées la cinématique est sur contrainte:électron (E, ) – hadrons (h=Eh-pz,h, pT,h, h= 2 atan h/ pT,h)

y= h/2E0 Q2=pT2/(1-y) x=Q2/ys (s=4E0P)

conservation d'énergie/impulsion: combinaisons pour calculer y, Q2, x électron (E, ): Q2 excellent, mais faible résolution à bas y hadrons (h, pT,h): mauvaise résolution en Q2, stable en y méthodes combinées e/h: DA (, h), "mixed" (Q2

e,yh), (E,, h), e….

Acceptance Stabilité Pureté


Reconstruction de yh

reconstruction de yh à partir des différents sous-détecteurs

pertes des particules "molles": combinaison "cellules & trace"

région à bas y: sensible au bruit dans le calorimètre à Argon liquidesoustraction du bruit à la "NADA"

Q2 > 150GeV2

Q2 < 150GeV2


F2 pré-HERA

comportement de F2 à petit x non contraint

mesures de BCDMS/NMC jusqu'à x=0.01 à Q2=20GeV2

différentes prédictions:MRSD0/CTEQ1: densité de gluons à la Regge - g(x)x0

MRSD-: densité de gluons à la BFKL - g(x)x- avec =0.5GRV: évolution DGLAP de la densité de gluons "valence-like"

à Q2<1


F2: croissance à petit x

première mesure de F2 sur les données 1992:

luminosité: L=22.5 nb-1

forte croissance de F2 à petit x

pas de comportement à la Regge

précision limitée


F2: violation d’échelle

mesure de F2 sur les données 1993:

luminosité: L=271 nb-1

mesure sur 14 bins en x

observation de la violation d'échelle en log Q2

premier ajustement NLO-QCD

croissance de F2 due à l'augmentation de la densité des quarks de la mer à petit x, engendrée par boson-gluon fusion


F2: la densité de gluons


luminosité: L=2.7 pb-1

première mesure de précision

domaine de mesure en Q2 entre 1.5 et 5000 GeV2

extraction de la densité de gluons par ajustement QCD-NLO

précision de 15%


F2: taux de croissance en x


première mesure avec SpaCal

donnes à vertex déplacé permettent l'exploration du domaine de transition photoproduction - DIS

domaine de mesure en Q2 entre 0.35 et 3.5 GeV2

parametrisation des pentes de F2 en x- pour x<0.1

évolution des pentes en fonction de Q2

mesures ultérieures: changement de comportement autour de Q21GeV2 avec une limite de 0.08 (a la Regge)


DIS à grand Q2

NC CC

/Z W+/-

e+/- e+/-

p p

e+/- e

X X

( - )

dépendance au propagateur et au terme de fonction de structure

CC couplage au quarks dépend de leur charge et de leur saveur

NC couplage au quarks dépend de leur charge


grand Q2: d/dQ2

données 1994-1997 à Q2>150GeV2

luminosité: L=37.6 pb-1

la section efficace NC dominée par les interactions électromagnétiques

variation de d/dQ2 sur 7 ordres de grandeurs

la dépendance de la section efficace CC permet d'extraire MW dans la voie s

précision sans contraindre GF: MW=5.2GeV

précision en utilisant les contraintes du Modèle Standard sur GF: MW=0.4GeV avec une erreur dominante venant des pdfs


mesure de la section efficace jusqu'à x=0.65 section efficace à x=0.65 plus faible que attendue région cinématique uniquement contrainte par des données BCDMS à plus bas Q2

reconstruction cinématique: HERA: méthodes hadroniques(e): sensible au bruit calorimétrique BCDMS: méthodes leptonique: intrinsèquement faible résolution sensible aux quarks de valence influence sur S

grand Q2: r(x,Q2) à grand x


grand Q2: densités u et d

extraction des densités des quarks de valence à grand x

NC: contribution dominante quark u

CC en e+p: contribution dominante en quark d

xq=mes[xqfit/ fit]

extractions des densités pour des bins avec une contribution attendue en u et d supérieur à 70%

erreur sur la soustraction 2%


grand Q2: l’helicité

d quark

u+c

échange de uniquement

(1-y)2xF3

dépendance en (1-y)2 correspond à cos/2 dans le centre de masse CC: W+Lq supprimé (conservation de la helicité) NC: /Z contributions isotrope et non-isotrope+ contribution de xF3 non-isotrope


F2: mesures de HERA I

domaine cinématique mesuré:

0.01 < Q2 < 30000 GeV2

10-5 < x < 0.65 détermination de la densité de gluons à 3% extraction de FL, xF3

détermination de S:

0.115 ± 0.0017(exp) ±0.005(theo)

sur les données H1 et BCDMS


pdf post-HERA I

différence majeur entre MRST/CTEQ:

la densité de gluons à moyen x

contrainte expérimentale: mesure de la section efficace des jets au Tevatron

influence des données de HERA dans le analyses globales (MRST/CTEQ)

accord pour la détermination de S

0.1165±0.002 ±0.003 (MRST)

0.1165±0.0065 (CTEQ)

incertitudes sur les pdf:


top: la production

masse du top élevée calcul perturbatif de la section efficace

au Tevatron le top est produit à grand x principalement en mode qq

la section efficace au NNLO à s=1.96 TeV est =6.77pb

au LHC: production principalement en mode gg

section efficace NLO à s=14 TeV est =833pb

Tevatron: 85%

LHC: 10%

Tevatron: 15%

LHC: 90%

tt


top: canaux de désintégration désintégration quasi exclusivement en Wb

détection selon le canal de désintégration

di-lepton: faible rapport d'embranchement, signal/bruit 3.5

hadronique: bruit de fond QCD élevé

lepton+jets: cinématique contrainte

di-lepton 200 événements

lepton+4jets 1800 événements

lepton+ 3jets/b-tag 1400 événements

lepton+ jets/2 b-tags 450 événements

estimation pour L=2fb-

1:


top: section efficace

intérêt de la mesure tt:• vérification des prédictions QCD• recherche de nouvelle physique:

production via bosons lourds mode de désintégrations autres que Wb

Premières mesures de tt du

Run II avec L=100 pb-1 en:di-lepton (ee, , e)lepton+jets (e+jets, +jets)

DD

mesure au Run I à s=1.8 TeV:

= 5.69 1.21 (stat) 1.04 (syst)


top: prospectives Run II

Pour une luminosité de 2 fb-1:• précision sur la section efficace ~8%

erreur statistique: 4% erreurs systématiques:

estimation du bruit de fond: diminution avec la statistique des lots de contrôle ~2% échelle d'énergie des jets ~2% rayonnement QCD ~ 2%

Limitations ? erreurs sur la simulation de l'acceptance: ~4% erreur sur la luminosité: ~4%

DD


top: mesure de la masse

la masse du top: paramètre fondamental dans le

Modèle Standard détermine le couplage ttH prédiction de la masse du

Higgs par les corrections radiatives:

Run II: Mh/Mh à 35%

CDF/D02 fb-1goal!

DD

• canal lepton+jets3 contraintes

m(l) = m(qq) = mW

m(lb) = m(qqb)1 inconnue (pz

) 24 ambiguïtés combinatoire


Conclusion

HERA I a permis de vérifier la validité de la QCD perturbative et de déterminer les densités de partons avec précision:

la densité de gluons à petit x

les contraintes à grand x et grand Q2

Tevatron est le seule endroit pour l'étude du quark top

les mesures de la section efficace de production

les contraintes de part sa masse sur la masse du Higgs

complémentarité des deux programmes de physique donne le savoir nécessaire pour rechercher de la nouvelle physique au LHC

ursula bassler1soutenance d'habilitation 28/11/2003 aspects de la physique hadronique: de la...

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