Mise en œuvre du calorimètre électromagnétique d’ATLAS et recherche de nouvelle physique

1. Mise en œuvre du calorimètre électromagnétique d’ATLAS et recherche de nouvelle physique Pierre-Simon MANGEARD Directeur de thèse : Sylvain Tisserant/Fabrice Hubaut 15 juin 2007

2. Tevatron 95% C.L. Nouvelle physique au LHC • LHC : Ouverture de l’espace des phases • Utiliser les électrons comme sondes pour la nouvelle physique. Maîtrise du calorimètre électromagnétique essentielle

3. h=0 h=1.4 h=3.2 h=4.9 Le Calorimètre électromagnétique d’ATLAS Calorimètre électromagnétique : Grande couverture angulaire ||<4.9 1999-2002 : Tests faisceaux 2001-2004 : Construction Depuis 2004 : Installation et mise en route dans la caverne

4. Dans la caverne Tonneau Bouchons Diamètre : 4.5m -- Longueur 13m

5.   Le Calorimètre Electromagnétique • Calorimètre à échantillonnage plomb / argon liquide (90K) • Géométrie en accordéon • herméticité azimuthale quasi-parfaite • Grande granularité via une segmentation longitudinale et transverse • PS pertes en amont • S1 0.0030.1 mesures de position • S2 0.0250.025 dépôt d’énergie principal • S3 0.050.025 queues de haute énergie

6. La préparation au démarrage • Les atouts • Le calo EM est l’un des sous-détecteurs les plus testés sous faisceaux • Cette expertise est présente au CPPM • Les Challenges • 175000 canaux • Mettre en place la procédure de calibration et de reconstruction du signal  Fonctionnement in situ avec les muons cosmiques

7. A 1 2 Z 3 4 B Prises de données • Runs combinés CaloEM/Had (pas de chambres à muons) • Le déclenchement est réalisé à l’aide du calo Had. • Calo en cours d’installation : seulement quelques modules disponibles avec l’électronique finale • Août 2006 (13k evts) • LAr HV = 2000 V • Octobre 2006 (78k evts) • LAr HV = 1600 V • Pas HV dans I14 Acceptance augmentée 2007

8. A quoi ressemble un muon cosmique? Calo. Had. Calo. EM

9. f(x)=p0 + p2*exp(p1*N) 17 MeV La réduction du bruit est INDISPENSABLE Un muon projectif dépose très peu d’énergie : 200-300 MeV  Faible S/B signal de physique signal mis en forme et échantillonné N échantillons • L’utilisation d’un plus grand nombre d’échantillons dans la reconstruction permet de diminuer le bruit.

10. Reconstruction de l’énergie des muons Energie déposée en MeV dans les cellules de S2 • Création d’amas de cellules de S2 avec un seuil haut (bas) à au moins 5s (3s) au dessus du bruit. • La réduction du bruit à 17 MeV  Les seuils : 100 et 50 MeV  Bonnes pureté et efficacité Muons projectifs : • 2 cellules contiguës en phi (du à la géométrie en accordéon) (Amas 1)  Les muons cosmiques ne sont pas projectifs : • cellules contiguës en phi et/ou en eta (Amas2) f Amas 2 Amas 1 h

11. LES MUONS A partir de 91000 evts :  2006 : 6% du tonneau sont scannés  ~25000 candidats muons Nombre d’amas par cellule de S2 L’information du calo. had. est utilisée comme référence afin d’estimer les caractéristiques du lot de muons • Pureté : • Je compare les candidats muons avec la trace reconstruite dans le calo. had. : • Avec Df = ftile-fLAr et Dh=htile-hLAr  Sans coupure P=96%  Avec coupure P~100% (e=98%)

12. Cellules mortes • Impulsion de calibration : 0.02% de cellules mortes • Premiers signaux de physique in situ Nombre d’amas par cellule de S2 HAUT BAS • Dans la région avec assez de stat. : une cellule morte dans S2

13. h=0 h=0.8 L’uniformité du calorimètre EM (1) L’énergie déposée par le muon est proportionnelle à la distance traversée Électrode du tonneau  Sélectionner les muons projectifs est nécessaire • Projectivité : • Soit (X0,Z0) l’intersection entre la trace reconstruite à l’aide du calo. Had. et le plan horizontal à Y=0. • Coupure en projectivité : (|X0|,|Z0|)<(30cm,30cm)

14. S2 cell depth data (|X0|,|Z0|) < 30x30 cm² Normalized MPV ~9200 dépôts projectifs TOP BOTTOM η normalized to 1 h L’uniformité du calorimètre EM (2) Vérifiée < à 1% en test faisceaux  Première vérification in situ à 4%  Besoin en moyenne de 16 fois plus de statistique pour vérifier la non-uniformité à 1%

15. Conclusions - Perspectives • Ma thèse a pour objectif d’utiliser au mieux les premières collisions du LHC au sein de l’expérience ATLAS (été 2008) • Dans ce cadre, je participe à la mise en œuvre du calorimètre électromagnétique via l’étude des données de muons cosmiques prises à l’automne 2006 (note interne ATLAS en cours d’écriture) • Celle-ci a permis : • La mise en place d’outils de reconstruction • La réduction du bruit par un facteur 3 • La recherche de cellules mortes (indication d’une cellule dans S2) • Première vérification in situ à 4% de l’uniformité • Sensibilité rapide à la nouvelle physique : • Sonder ce nouvel espace des phases dès le démarrage via les électrons

16. Evénement Z’e+e- ~560 GeV ~410 GeV

17. SPARE

18. (Situation dans la caverne à l’automne 2006) • La partie centrale : • Trajectographe interne sauf pixels • Aimants solenoïde et toroïdes • Calo. Hadronique • Calo. EM : refroidi et rempli • Chambres à muons en pleine installation • Les bouchons : • Calo Hadronique • Calo. EM : chaud • La 1ère grande roue des chambres à muons en installation

19. η=0.4 η=0 4m η=0.8 (Xo,Zo) Y=0 η cell center - 4m Purity of the sample (1) • All clusters are not necessarily due to muons • Tile calorimeter information can be used to estimate the purity.  dedicated cosmic reconstruction algorithm to find a muon track: TileMuonFitter (Jose Maneira) • Cell energy threshold : 100 MeV • TileCells in top AND bottom: long lever arm • Fit track that minimizes sum of orthogonal distances to cells weighted by energy density • Track crosses horizontal plane at (Xo,Zo)

20. Purity of the sample (2) TILE/LAR MATCHING • We define : Df = ftile-fLArand Dh=htile-hLAr • Centered around zero : Well aligned • Resolution dominated by tile granularity • Signal Region: (|Df|,|Dh|)<(0.11,0.11) • Noise region : (|Df|,|Dh|)>(0.2,0.2) Purity = (Nclus-Nnoise*)/Nclus * Number normalized at the signal region surface

21. Purity of the sample (3) • If no matching with tile : •  P=96% • Matching with tile: • Purity close to 100% in signal region • Selection decreases the efficiency from 23% to 19% Signal Region  Can extract a very pure muon sample

22. η=0.4 η=0 4m η=0.8 (Xo,Zo) Y=0 η cell center - 4m Projectivity of the sample (1) • Due to setup : muons are not projective • To estimate projectivity of muons, (X0,Z0) from tile track is used • Can see the tile granularity in phi • All muons are in +/- 1m around the interaction point

23. Projectivity of the sample (2) • In order to estimate (X0,Z0) precision : • Use events with 2 LAr matching clusters (top & bottom) : ~3k evts • Extrapolate a « LAr crosspoint » at Y=0. • Define DX0 = X0tile-X0LAr and DZ0=Z0tile-Z0LAr •  Distribution centered around zero : good alignement • Precision of 5-6 cm  Can extract a projective muon sample

24. Detect dead cells in S1 • S/N in S1 less favorable • Use all muons (11200) reconstructed in S2 cells • Look at energy in the 8 S1 cells in front of the muon cluster Map of Noise • Homogen noise over whole module : ~7.5 MeV • Cut at 4σ on the pointed S1 cells • Expect only 3 hits from noise over the 11k events

25. Detect dead cells in S1 (2) Entries per S1 cell Most populated region η • In most populated region (30%), can even infer 1 (and only one) dead strip, not seen in calibration… • We do see muons in S1 over almost the whole module (h<0.8)

26. Detect dead cells in S3 • Harder in S3 because lower S/N Map of Noise Entries per S3 cell E(MeV) η Φ • ~13.3 MeV at η≤0.5 • ~14.3 MeV at η>0.5 • as expected from geometry • Preliminary: large dispersion still to be understood • Not enough stat. to detect dead S3 cells