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Julien MOREL sous la direction de Fabienne LEDROIT

Recherche d'une nouvelle résonance Z' dans le canal diélectron avec le détecteur ATLAS . Julien MOREL sous la direction de Fabienne LEDROIT. 7 novembre 2008. Plan de l’exposé. I - Préliminaires : du Z aux Z’. Théorie et découverte du boson Z

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  1. Recherche d'une nouvelle résonance Z' dans le canal diélectron avec le détecteur ATLAS Julien MOREL sous la direction de Fabienne LEDROIT 7 novembre 2008

  2. Plan de l’exposé I - 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

  3. 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 Dans le vide du champ de Higgs Potentiel de Higgs 2 paramètres :  et  Structure de l’électrodynamique quantique 1 boson de jauge noté B – couplage g’ Brisure spontanée de symétrie Couplages entre W, B et le champ de Higgs  Électrodynamique quantique non brisée Photon sans masse – couplage e Bosons W+, W- et Z massifs – couplage GF

  4. 1984 – L’observation du Z aux expériences UA Processus Collisionneur Détecteurs

  5. 1985 - Théorie de grande unification E6 Pour E1014GeV • g, g’ et gSprennent des valeurs similaires. • Les groupes SU(3)C, SU(2)L et U(1)Y du MS proviennent d’un même groupe plus grand ? Les nouveaux bosons du groupe E6 … 2 groupes U(1) supplémentaires Au moins un état propre de masse à l’échelle du TeV : … mais aussi de nouveaux fermions • Non observés supposés très lourds. • Ils n’affectent pas la largeur de désintégration du Z’.

  6. De 1990 à 2000 – Contraintes indirectes électrofaibles Exemple de limites obtenues avec le paramètre  Limites obtenues avec les mesures de précisions EW à LEP Mesure de  Modèle ad-hoc identique au Z mais en plus lourd Angle de mélange Z/Z’ (analogue à wdu MS) très petit

  7. 2008 - Limites sur la recherche directe CDF Run II – Canal électronique – L=2.5 fb-1 Analyse de section efficace Pas d’observation directe jusqu’à 700 GeV

  8. 2009 - L’ère LHC La production de Z’ au LHC II - Phénoménologie des 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’

  9. Le collisionneur LHC du CERN Le complexe d’accélérateurs du CERN Les caractéristiques machine Collisionneur proton-proton Source de protons Duoplasmatron + cavité RF  Faisceau continu de 750 keV

  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 …

  11. Le processus pp  Z’  l+l- +X à 14 TeV Processus partonique Contributions dominantes Processus Drell-Yan Pic du Z’ Interférence /Z’ et Z/Z’

  12. Le spectre de masse invariante Masse invariante des deux leptons de l’état final Masse invariante des deux leptons de l’état final Contribution du Z’ Corrections d’ordres supérieurs Zone d’interférence  / Z / Z’

  13. Les corrections QCD d’ordre supérieur Corrections au vertex Emission de particules réelles Calculs théoriques : Ordre fixe + resommation Approche MC : Ordre fixe (MC@NLO) + Parton shower(Herwig) Variation d’échelle Facteurs K PDF 5% Incertitudes théoriques NLO + Resommation 10%

  14. 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 II - Phénoménologie des Z’ au LHC 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’

  15. Vue d’ensemble du détecteur ATLAS Détecteur interne Calorimètre argon liquide Calorimètre à tuiles scintillantes Chambres à muons Trajectoires des particules chargées Énergie des particules électromagnétiques et hadroniques Énergie des jets hadroniques Impulsion des muons Solénoïde 2 Tesla Toroïde 4 Tesla

  16. Le détecteur interne Détecteur à pixels Détecteur à micropistes de silicium Détecteur à rayonnement de transition 1 1 3 3 3 2 2 2 Couverture ||<2.5 Utilité du détecteur interne pour Z’e+e- • Mesure des traces des particules chargées • Mesure précise des angles pour la reconstruction de la masse invariante

  17. Le calorimètre électromagnétique Partie centrale ||<1.52 Partie bouchon ||<3.2 1 1 1 2 2 2 Cellules du calorimètre Trois compartiments + PS Utilité du calorimètre EM pour Z’e+e- • Identification des électrons • Mesure précise de l’énergie des électrons

  18. Reconstruction et identification des électrons Critères d’identification des électrons Amas de cellules + Trace associée  Candidats 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

  19. Reconstruction et identification des électrons Critères de sélection des électrons E  500 GeV Le critère Tight ne convient pas pour des électrons de haut pT Résolution en énergie pour le critère Loose 75% des électrons 4% des électrons 21% des électrons N.B : La résolution ne dépend ni de la sélection ni de l’énergie.

  20. Sélection des Z’ Efficacité de sélection d’un Z’χde 1 TeV Reconstruction de la masse invariante Critères de sélection : Efficacité totale = Géométrique  Sélection  45% à 1 TeV Résolution sur la masse  1% Très bonne linéarité

  21. Rejet du bruit de fond Bruit de fond avant sélection Après sélection |η|<2.5 pT>65 GeV La mauvaise identification des photons et des jets induit de grandes sources de bruit de fond Le Drell-Yan est la principale source de bruit de fond

  22. Potentiel 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 III - Études des Z’ avec ATLAS 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

  23. Principe de l’analyse Analyse basée sur des simulations Processus étudié : pp  /Z/Z’ e+e- Au niveau reconstruit Test de nombreuses hypothèses : Simulation complète + analyse statistique par tirage de pseudo-expériences plusieurs jours de calcul Paramétrisation plus rapide + analyse statistique FFT  quelques secondes

  24. Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ 1 1 2 3 2 3 Factorisation des PDF Contribution du DY sans le pic du Z Contribution de la résonance du Z’ Interférence entre le Z’ et les bosons /Z 4 paramètres phénoménologiques MZ’, Z’, APeak et AInterf Théoriquement Z’, APeak et Ainterfsont calculables à partir de MZ’, des couplages du Z’ et de Pqq

  25. Paramétrisation du spectre de masse invariante au niveau génération approche “théorique” approche “phénoménologique” En variant MZ’ En variant Z’ Z’, APeak et Ainterfcalculés à partir des couplages pour les Z’ usuels à 2 TeV En variant APeak En variant Ainterf

  26. Paramétrisation du spectre de masse invariante au niveau reconstruit Paramétrisation + Facteurs K ATLAS full sim ATLAS full sim Spectre au niveau reconstruit

  27. Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ Au niveau généré Comparaison avec NLO - NLL Au niveau reconstruit Comparaison avec simulation complète Accord < 4% Accord ~10% < Incertitudes théoriques.

  28. Analyse statistique Comment découvrir / rechercher un Z’ ? Hypothèse 0 Modèle Standard Bruit de fond seul Hypothèse 1  / Z / Z’ Signal + Bruit de fond Paramétrisation Paramétrisation Méthode statistique de comparaison de spectres Mise en place d’une méthode de recherche dans les données Estimation du potentiel de découverte

  29. Analyse statistique Efficace sur tout le spectre  Pas d’ajustement de fenêtre  On conserve toute l’information Intéressant pour effectuer une recherche Différentes méthodes statistiques 5 avec 1 événement ! Comptage d’événements : Comparaison des spectres :

  30. Analyse statistique Quantité discriminante : rapport des vraisemblances Comparaison de deux spectres Hypothèse signal Hypothèse bruit de fond Fonctions de vraisemblance : dans l’hypothèse signal dans l’hypothèse bruit  va permettre une séparation des deux hypothèses

  31. Analyse statistique Choix de la significance statistique Comparaison de deux spectres Hypothèse signal Hypothèse bruit de fond Significance CLs« fréquentiste modifiée » : Utilisation de l’expérience médiane comme expérience la plus probable pour estimer le potentiel de découverte.

  32. Potentiel de découverte des Z’ « usuels » Utilisation de l’ approche “théorique” Normalisation : Forme :  L/L   20 % 1 fb-1   2- 2.5 TeV 10 fb-1  > 3 TeV

  33. Étude indépendante du modèle théorique En fixant APeak et Ainterf Balayage de l’espace MZ’, Z’ Luminosité intégrée nécessaire pour une découverte à 5 Utilisation de l’ approche “phénoménologique” • Apeakfixé à 300 (~ 400 pour les Z’ usuels) • Ainterffixé à0 • MZ’balayée de 1 TeV à 3.5 TeVpar pas de 100 GeV • ΓZ’ /MZ’balayé de 0.2% à 10% par pas de 0.2% Renseigne sur l’ordre de grandeur du potentiel de découverte de “tous les Z’ ” Accessible avec 1 fb-1

  34. Potentiel 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 III - Études des Z’ avec ATLAS 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

  35. Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un Z’ Comparaison des données à différentes hypothèses Étude Monte-Carlo • 7500 hypothèses Z’ différentes • Apeak= 300 • Ainterf= 0 • MZ’ = 1 TeV à 3.5 TeVpar pas de 10 GeV • ΓZ’ /MZ’ = 0.2% à 10% par pas de 0.2% On s’intéresse à l’hypothèse qui retourne la significance maximum Pour 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

  36. Estimation de l’effet “Look Elsewhere” Effet “ Look Elsewhere” Distribution des Smax obtenus en recherchant un Z’ dans des pseudo-expériences “bruit de fond” Hypothèse Hypothèse Hypothèse Hypothèse Données « Signal N » « Signal 1 » « Signal 2 » … « Bruit de fond » Quantification de l’effet “Look Elsewhere” ~4.610-2 pour une évidence à 3σ (6 10-5 par definition) ~810-5 pour unedécouverte à 5σ (6  10-7 par définition)

  37. Recherche d’un Z’ Pour un Z’χ de 2.5 TeV et 1 fb-1 Distribution des Smax obtenus en recherchant un Z’ dans des pseudo-expériences “Signal Z’χ à 2.5 TeV” Cette méthode est utile pour estimer la présence d’un Z’ et pour estimer sa masse. Elle pourra être appliquée sur les premières données.

  38. Potentiel 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 III - Études des Z’ avec ATLAS 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

  39. Ajustement des couplages u et d via la distribution en rapidité Ajustement des quantités PqqZ’ MZ’=1.5 TeV L130 fb-1 MZ’=1.5 TeV L130 fb-1 Variables à ajuster  Fonction d’ajustement  Informations sur les couplages aux quarks u et d  Discrimination des modèles

  40. Analyse au niveau reconstruit Ajustement des quantités PqqZ’ MZ’=1.5 TeV L130 fb-1 MZ’=1.5 TeV L130 fb-1 L’efficacité de sélection ne dépend que de la rapidité du Z’ Fonction d’ajustement  Les distributions (Y) Yq(Y) sont normalisée à 1.

  41. Analyse sur des pseudo-expériences Étude Monte-Carlo avec 10000 pseudo-expériences Modèle χ à 1.5 TeV avec 130 fb-1 Modèle SSM à 1.5 TeV avec 130 fb-1 Biais dû à la non considération des quarks s Analyse discriminante efficace sur une observable simple à reconstruire

  42. Conclusion Processus hadronique Efficacité + Facteurs K Résolution  Interface WEB de la paramétrisation Paramétrisation du spectre en masse Potentiel de découverte Recherche de Z’ Rapidité Estimation du rapport des couplages u / d Évidence et estimation de la masse 1 fb-1   2- 2.5 TeV 10 fb-1  > 3 TeV

  43. Perspectives Processus hadronique Applications Canal muon Graviton Z’KK Techni- Techni- Efficacité Adaptation de la paramétrisation aux processus à plusieurs résonances. +  Facteurs K Résolution Étude et optimisation des performances de reconstruction et d’identification des électrons de haute énergie. Interface WEB de la paramétrisation Utiliser d’autres observables (paramétrisation de l’asymétrie avant-arrière pour une étude MC approfondie) Paramétrisation du spectre en masse Potentiel de découverte Recherche de Z’ Rapidité Étude des bruits de fond avec les données (facteur de rejet électron – jet) Estimation du rapport des couplages u / d Évidence et estimation de la masse 1 fb-1   2- 2.5 TeV 10 fb-1  > 3 TeV

  44. Conclusion Processus hadronique Efficacité + Facteurs K Résolution  Interface WEB de la paramétrisation Paramétrisation du spectre en masse Potentiel de découverte Recherche de Z’ Rapidité Estimation du rapport des couplages u / d Évidence et estimation de la masse 1 fb-1   2- 2.5 TeV 10 fb-1  > 3 TeV

  45. FIN

  46. Randall-Sundrum with bulk matter RS avec matièredans le bulk : [ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, Hep-ph/0602155 ] • 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’ • 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.

  47. Fermion mass in the RS model RS model : 1 spatial X-dim compactified over S1/Z2 with radius Rc Fermion 5D masses : Effective 4D masses matrix: ci = new dimensionless parameters kij = new parameters related to the yukawa coupling

  48. Contraintes indirectes

  49. Filament à revêtement d’oxyde ( V = -100 Volts ) Entrée du gaz Bobine - e Les électrons ionisent le gaz H Les ions migrent vers le potentiel négatif Anode ( V = -70 Volts ) + H Plasma (gaz ionisé +) Extracteur ( V = -30.103 Volts ) Faisceau d’ions positifs Duoplasmatron

  50. Segmentation du calorimètre EM

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