Recherche de Particules Stables Chargées et Lourdes (HSCP) avec le détecteur CMS au LHC

1. Loïc QuertenmontFlorida State UniversitySamedi de la physique - 30 Avril 2011 Recherche de Particules Stables Chargées et Lourdes (HSCP) avec le détecteur CMS au LHC

2. Lloic.Quertenmont@cern.ch Plan • Introduction : • A la physique des particules… • … Stables, Chargées et Lourdes • Le LHC et CMS • Énergie perdue dans le trajectographe • Identification, Reconstruction de la masse • Calibration • Recherche des HSCP dans CMS • HSCP traversant CMS • HSCP s’arrêtant dans CMS

3. Introduction

4. Lloic.Quertenmont@cern.ch Tableau des particules élémentaires Extension (super-symétrique) du Modèle Standard Modèle Standard de la physique des particules ? Prédit mais pas encore observé

5. Lloic.Quertenmont@cern.ch Hadrons de HSCP (R-Hadrons)… Neutron Charge électrique: 2/3-1/3-1/3=+0 Stop R-Hadron Charge électrique: 2/3+2/3-1/3=+1 Proton Charge électrique: 2/3+2/3-1/3=+1 Gluino R-Hadron Charge électrique: 2/3+2/3-1/3=+1

6. Lloic.Quertenmont@cern.ch Les HSCPs ? • Heavy  Masse > 100GeV  Générallement lent au LHC… • Stable  Temps de vie > ~5ns • Charged  Charge électrique • Particle/Particule  On a besoin d’un accélérateur puissant pour créer des particules si massives (E=mc²)

7. Lloic.Quertenmont@cern.ch Un Collisionneur ? On peut créer de nouvelles particules à partir de protons très énergétiques E = mc²

8. Lloic.Quertenmont@cern.ch Le Large Hadron Collider (LHC) CMS LHCb ALICE ATLAS Énergie de collision : 7000 GeVCollisions effectuées : ~15.000 milliards (~200 pb-1)

9. Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch CMS : Compact Muon Solenoid Diameter : 15.0mLength : 21.5mWeight : 12500t

10. Lloic.Quertenmont@cern.ch Le Compact Muon Solenoid (CMS)

11. Lloic.Quertenmont@cern.ch Premières Collisions dans CMS

12. Lloic.Quertenmont@cern.ch Le Compact Muon Solenoid (CMS)

13. Energie perdue dans le Trajectographe

14. Lloic.Quertenmont@cern.ch Le Trajectographe de CMS Détecteur à strips:15148 Modules9.7M Canaux Une particule traverse ~15 modules

15. Lloic.Quertenmont@cern.ch Energie Perdue par Ionisation (dE/dx) ΔE = ΔE1+ΔE2+ΔE3 ΔE3 ΔE1 ΔE2 ΔX e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- 470 (290) µm Les particules lentes perdent plus d’énergie!

16. Lloic.Quertenmont@cern.ch De la Trace au dE/dx Run 124120 Event 4826255Mon 2009-Dec-14 04:42:31 CETCOM Energy 2.36TeV Pixel Cluster Strip Cluster • P = 1.42 GeV/c • Pt = 1.39 GeV/c • #Hit = 3 + 20 • Chi² = 21.87 • Pour chaque trace de particules, on a ~15 mesures de ΔE/Δx qu’on peut recombiner pour avoir une mesure plus précise du ΔE/Δx • Estimateurs  ΔE/Δx • Discriminateurs  P(ΔE/Δx)

17. Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch La mathématique des estimateurs • Short pathlength (~0.3 mm) • Long pathlength (~0.6 mm) Normalized Charge (ADC/mm) • ~O(10) mesures du ΔE/Δx avec de grandes fluctuations statistiques Landau • Peuventêtrecombinées pour estimer le ΔE/Δx le plus probable • Troisestimateurs du dE/dx: • Les estimateursnégligent : • Certainseffetsinstrumentaux (saturations) • La faible non linearité du ΔE/Δx avec le Δx

18. Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch La mathématique des discriminateurs • ~O(10) mesures de probabilitéque le ΔE/Δxobservésoit incompatible avec le passage d’un muon (MIP). • Peuventêtrecombinées pour obteniruneprobabilitéglobale • Troisdiscriminateurs: • Contrairement aux estimateurs, les discriminateursne négligent pas: • Certainseffetsinstrumentaux (saturations) • La faible non linearité du ΔE/Δx avec le Δx

19. Lloic.Quertenmont@cern.ch Identification et Reconstruction de la Masse • Plus la vitesse d’une particule est lente, plus l’énergie qu’elle perd dans le trajectographe est grande! • Au LHC, les HSCP sont lentes. Elles perdent donc plus d’énergie que les autres particules (qu’on connaît bien) • Si on mesure l’impulsion (p) et l’énergie perdue (dE/dx) d’une particule on peutreconstruire sa masse = vitesse X massede la particule

20. Lloic.Quertenmont@cern.ch Estimateur  Reconstruction de masse KaonProtonDeuteron

21. Lloic.Quertenmont@cern.ch

22. Lloic.Quertenmont@cern.ch Discriminateur  Identification des Particules • Les discriminateurs mesurent la probabilité que la trace ne soit PAS un muon (MIP) • Ils sont meilleurs pouridentifier les particules lentes (HSCP) mais ils ne peuvent pas être utilisés pour reconstruire la masse des particules. KaonProtonDeuteron

23. Lloic.Quertenmont@cern.ch

24. Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch Validation de la ParticleId ? • Désintégration de V0 comme référence • Les V0 sont des particules neutres qui se désintègrent en une paire de particules chargées après quelques cm. apparait comme un “V” dans le tracker. • V0 sont principalement Λ0 p+ π- or K0sπ+ π- Run 123596 Event 12886346Mon 2009-Dec-06 09:20:02 CETCOM Energy 900GeV

25. Loïc Quertenmont - loic.quertenmont@cern.ch Validation de la ParticleId ? • Propriétés cinématiques de Λ0 p+ π- : • p+ est “toujours” la trace la plus énergétique • p+ est identifiée par la mesure de l’impulsion, dE/dx est utilisé comme vérification CMS PAS TRK-10-001 Softest Track Leading Track

26. Lloic.Quertenmont@cern.ch Calibration… Facteur de Correction = 300/302 = 0.993 • Combinaisons des mesures de différents sous-détecteurs Sous-détecteurs doivent avoir une même réponse  Calibration des 76K puces du détecteur ΔE/Δx (ADC/mm)

27. Lloic.Quertenmont@cern.ch Calibration… ΔE/Δx (ADC/mm) ΔE/Δx (ADC/mm) ΔE/Δx avant calibration ΔE/Δx après calibration

28. À la recherche des HSCP…traversant le détecteur

29. Lloic.Quertenmont@cern.ch Deux Analyses… Muon ID p & dE/dx p & dE/dx • HSCP Signature • Grande impulsion (p) • Grande Ionisation (dE/dx) • (Ressemble à un Muon) • 2 Analyses indépendantes: • Tracker+Muon • p + dE/dx + Muon ID • HSCP restant chargées • Tracker-Only • p + dE/dx • HSCP devenant neutres

30. Lloic.Quertenmont@cern.ch La Sélection des HSCPs S=1/2B=1/1000 S=1/2B=1/1000 S=1/4B=1/1000000 X  • Type de trace: • Tracker+Muon analysis  Traces qui vont jusqu’au système à muons • Tracker-Only analysis  Toutes les traces • Qualité de la trace: • High Purity, pT>15GeV, pTErr<25%, |dZ|<2cm, |d0|<0.25cm, #dE/dx measurements > 3 • Coupures de Sélections: • sur pTet sur dE/dx (Discriminateur) dE/dx discriminateur

31. Lloic.Quertenmont@cern.ch Sélection améliorée • La distribution du dE/dx et de pT dépend fortement du nombre de hits associés à la trace. • Peu de hits  Grande queue de distribution • Coupures qui dépendent du nombre de hits de la trace • Améliorations? • Plus de signal pour le même background • Fiabilité de la prédiction du background dE/dx discriminateur

32. Lloic.Quertenmont@cern.ch Prédiction du nombre de backgrounds D est la région des HSCP! Traces de grand dE/dx mais de bas pT B Traces degrand dE/dxet de grand pT D Traces debas dE/dxmais de grand pT Traces debas dE/dx et de bas pT C A Coupure dE/dx Coupure Pt • Pour le background: Il n’y a pas de corrélation significative entre le dE/dx et le pT d’une trace • Le rapport A/B est le même que C/D ! x B/A x B/A D=C x (B/A)

33. Lloic.Quertenmont@cern.ch Distribution de masse (sélection faible) 281±51 traces prédites307 traces observées 426±62 traces prédites452 traces observées

34. Lloic.Quertenmont@cern.ch Résultats de la recherche (sélection forte) • La prédiction du background est relativement fiable. • On peut choisir une sélection qui prédit ~0.1 traces dans la région signal (M>75GeV/c²), et compter le nombre de traces observées. Pour Tk+Muon:0.07±0.01 traces prédites0 traces observées Pour Tk-Only:0.025±0.005 traces prédites0 traces observées • On a pas (encore) découvert de HSCP… • ...mais on peut quand même conclure quelque chose sur la probabilité de produire ces particules…

35. Lloic.Quertenmont@cern.ch Résultats: Limite sur la section efficace • Exclusion à 95% C.L. • Avec l’info Muon: • Gluino < 398 GeV/c² • Stop < 202 GeV/c² • Sans l’info Muon: • Gluino < 311 GeV/c²

36. À la recherche des HSCP…s’arrêtant dans CMS

37. Lloic.Quertenmont@cern.ch Les HSCP stoppées…

38. Lloic.Quertenmont@cern.ch Les HSCP stoppées… • HSCP ciblées ? • HSCP avec β<0.2-0.3 • Se désintegrant après ΔT • HSCP Signature • Energie dans les calorimètres Alors qu’il n’y a eu aucune collision • Background • Effets instrumentaux, rayons cosmiques, trigger faisceaux hors délais • Recherche • La recherche se fait pendant les période sans faisceaux (trous entre bunchs et entre les fills)

39. Lloic.Quertenmont@cern.ch Les HSCP stoppées… • HSCP ciblées ? • HSCP avec β<0.2-0.3 • Se désintegrant après ΔT • HSCP Signature • Energie dans les calorimètres Alors qu’il n’y a eu aucune collision • Background • Effets instrumentaux, rayons cosmiques, trigger faisceaux hors délais • Recherche • La recherche se fait pendant les période sans faisceaux (trous entre bunchs et entre les fills) On recherche les HSCP dans HCAL  ~20% des HSCP s’arrete dans CMS

40. Lloic.Quertenmont@cern.ch Backgrounds • Les bruits de fond cosmiques et instrumentaux • Sont observés et mesuré dans les données cosmiques (2008,2009,2010) • Les bruits de fond liés aux faisceaux • Dominés par les évènements « beam halo » • Rejetés en utilisant la BeamHaloID via les détecteurs à muons des bouchons • Le reste sont des événements « beam-gaz » et « early collision triggers » • Rejetés via veto sur les événements de +1/-2 BX 0.24 évènements par heure!

41. Lloic.Quertenmont@cern.ch Recherche • Prédiction du taux de bruit de fond • Utilise les données à basse luminosité comme échantillons de contrôle pour prédire le background • La recherche est faite dans des bins de temps de vie, T • Compte le nombre d’évènements observés et le nombre d’évènements attendus dans chaque bin. • L’observation est compatible avec la prédiction  Peut mettre une limite sur la section efficace étant donnée la luminosité intégrée fournie par le LHC (CMS ne doit pas nécessairement être allumé)

42. Lloic.Quertenmont@cern.ch Analyse du profil en temps

43. Lloic.Quertenmont@cern.ch Limites indépendantes du modèle Orbit(optimisation fenetre de temps) LHC fill(accepte les événements de toutes l’orbite) T>Tfill(perte de sensibilitée) 14 ordres de magnitudes!

44. Lloic.Quertenmont@cern.ch Limites • Si l’on utilise la probabilité pour une HSCP de s’arrêter dans CMS, on peut mettre une limite sur la section efficace X rapport de branchement • La probabilité de s’arrêter dépend du modèle d’interaction hadronique… Exclusion des gluino (T=10µs to 1000s) avec M < 370 GeV/c²

45. Un mot sur les résultats d’Atlas

46. Lloic.Quertenmont@cern.ch Résultats d’ATLAS • Exclusion à 95% C.L. • Gluino < 562 GeV/c² • Stop < 309 GeV/c² • Sbottom < 294 GeV/c²

47. Lloic.Quertenmont@cern.ch Luminosité Int. délivrée par le LHC Many more Papersto comein 2011 !!! CMS HSCP Paper CMS Stopped HSCP Paper ATLAS HSCP Paper

48. Conclusions

49. Lloic.Quertenmont@cern.ch Conclusions • Calibration du trajectographe à strip de CMS • Utilisée avec succès depuis >2ans • Création d’algorithmes pour l’utilisation du dE/dx • Identification des particules (discriminateurs) • Reconstruction de la masse (estimateurs) • Première recherche de HSCP au LHC • Utilisation d’une sélection améliorée • Prédiction du nombre d’événements background • Première limite sur la XSec et masse (<398 GeV/c²) de gluinos • Confirmation de la limite sur les stops jusqu’à 202 GeV/c² • Première recherche de HSCP devenant neutres après le trajectographe • Première recherche de HSCP stoppées au LHC • Limite sur la masse des Gluinos (<370GeV/c²) pour 10µs< T <1000s

50. Lloic.Quertenmont@cern.ch Merci… • References : • Ces Slides : http://www.cern.ch/quertenmont • Ma Thèse : http://www.fynu.ucl.ac.be/users/l.quertenmont/MesDocuments/Thesis.pdf ou chercher « LoicQuertenmont » sur Google. • CMS HSCP : arXiv:1101.1645 (hep-ex) et 10.1007/JHEP03(2011)024 • CMS Stopped HSCP : arXiv:1011.5861 (hep-ex) et 10.1103/PhysRevLett.106.011801 • ATLAS Paper : arXiv:1103.1984 (hep-ex) • dE/dx dans CMS : 10.1016/j.nuclphysbps.2011.03.145 (to bepublished) Merci à tous…