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IEKP. Etude du canal Z e + e - en simulation complète en vue de la discrimination entre des modèles au-delà du modèle standard ATLAS@LHC Martina Schäfer. Soutenance DEIR. 25 octobre 2004. travail préparé au LPSC sous la direction de:
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IEKP Etude du canal Z e+e- en simulation complète en vue de la discrimination entre des modèles au-delà du modèle standardATLAS@LHC Martina Schäfer Soutenance DEIR 25 octobre 2004 travail préparé au LPSC sous la direction de: F.Ledroit (LPSC-Grenoble) pour l’obtention du DEIRet Th.Müller (Universität Karlsruhe) pour la Diplomarbeit Martina Schäfer 1
LHC et ATLAS Modèles pour le Z’ Limites de découverte Bruit de fond Simulation Monte Carlo Reconstruction de Mee Variables discriminantes Résumé et perspectives simulation complète génération , , AFB Martina Schäfer 2
LHC et ATLAS Martina Schäfer
LHC @ CERN (1) • machine p-p avec 14 TeV (Fermilab 2 TeV) • 2007-2009: L ~ 21033 cm-2s-1, Ldt 20 fb-1 par année • 2009-20xx: L ~ 1034 cm-2s-1, Ldt 100 fb-1 par année • 23 événements biais minimum par croisement à haute luminosité (empilement) • flux de radiation (107Gy en 10 ans) • taux de collision 40MHz • coût : 4000 MCHF(machine+expériences) • > 4000 physiciens(plus de 35 nations) Martina Schäfer
LHC @ CERN (2) motivation • l’origine de la masse des particules • théorie électro-faible vérifiée avec une précision jusqu’à 10-5 • origine de la masse des particules inconnue • postulat: boson de Higgs ( masse) • MH > 114.4 GeV (LEP) et MH < 1 TeV (théorie)MH < 193 GeV @ 95% niveau de confiance (ajustement global données électro-faible) • le MS est-il une théorie ultime? • MS probablement l’approximation d’une théorie plus générale à basse énergie • nouvelle physique et physique inattendue • mesures de précision • déviations du MS • connaissance du fond pour la recherche de nouvelles particules • d’autres questions ouvertes • p.ex. les fermions sont-ils élémentaires? Martina Schäfer
nombreux domaines LHC @ CERN (3) • ATLAS • CMS • LHCb • physique du B • violation CP • ALICE • ions lourds • plasma quark-gluon Martina Schäfer
ATLAS (1) optimisé pour la recherche du Higgs et de la nouvelle physique collaboration (bât.40) site d ’ATLAS caverne d ’ATLAS Martina Schäfer
chambres à muons réponse rapide pour le trigger bonne résolution en p comparaison détecteur interne ID traces des particules chargéeshaute précision sur le paramètre d’impact calorimètre électromagnétique ECAL identification électron/photon excellente bonne résolution en E calorimètre hadronique HCAL bonne performance pour les jets et ET manquante ATLAS (2) largeur: ~40m rayon: ~10m poids: ~ 7000 t canaux électriques: ~108 cables: ~3000 km Martina Schäfer
ATLAS (3) e- : calorimètres • divisés en barrel (tonneau) et end-caps (bouchons) • ECAL • technologie argon liquide LArg • ||<3.2 ( pseudo-rapidité) • bonne précisionjusqu’à ||=2.5 • HCAL • Fe, scintillateurs||<1.7 • LArg (1.5<||<4.9) Martina Schäfer
ATLAS (4) • calorimètre à échantillonnage • milieu sensible : argon liquide • absorbeur : plomb • ~24X0 (barrel), ~26X0 (EC) • structure accordéon • 3 compartiments longitudinaux • « strips »: séparation / • « middle »: dépôt d’énergie principal • « back »: gerbes très énergétiques • segmentation en cellules, ~200 000 canaux • résolution (haute E) • pré-échantillonneur PS en ||<1.8 • pertes d’énergie dans la matière traversée en amont Martina Schäfer
1ère roue du barrel LPSC accordéon (barrel) ATLAS (5) module du barrel PS Martina Schäfer
Modèles pour le Z’ & Limites de découverte Martina Schäfer
Modèles pour le Z’ (1) La recherche du Z’ est motivée par le grand nombre de modèles au-delà du modèle standard qui possèdent un Z’. Comme il s’agit d’un canal qui sera facilement mis en évidence, c’est un moyen excellent pour distinguer ces modèles. • SSM Sequential Standard Model • Z’ avec les mêmes constantes de couplages que le boson Z habituel • Modèles E6 • modèles effectifs de rang 5 • basés sur GUTS, extensions populaires: SO(10) et E6 • E6SO(10) x U(1)SU(5)xU(1)x U(1)MSxU(1)ß • Z’=sinß Z + cosß Z • étudiés: Z, Z et Z Martina Schäfer
MC=1TeV n=3 n=1 n=4 n=2 Modèles pour le Z’ (2) • Z’(KK): dimensions supplémentaires, Kaluza-Klein • fermions confinés sur une 3-brane, bosons de jauge se propagent avec la gravitation dans des dimensions supplémentaires petites perpendiculaires aux branes • ici: une dimension supplémentaire, compactifiée sur S1/Z², tous les fermions sur le même « orbifold point » • tour de résonances Kaluza-Klein pour tous les bosons de jauge avec M²n=(nMc)²+M0², Mc échelle de compactification, M0 masse du boson de jauge habituel • Modèles symétriques LR • SU(2)LxU(1)Y du MS étendu à SU(2)LxSU(2)RxU(1)Y • =gL/gR: rapport des couplages du boson gauche et droit • étudié: =1 objectif: étude des variables discriminantes Martina Schäfer
Limites de découverte (1) Limites de découverte – directe et indirecte • SSM • >1.5TeV indirect, >690GeV direct • Modèles E6 • >350..680GeV indirect, >590..620GeV direct • Modèles symétriques LR • >860GeV indirect, >630GeV direct • Z’(KK) • 4TeV (indirect par des mesures électrofaibles SI boson de Higgs léger + dans le bulk) Mélange entre le Z’ et le Z négligeable Martina Schäfer
Limites de découverte (2) Résultats actuels du Tevatron printemps 2004 – 200pb-1 fin d’été 2004 200pb-1 CDF Martina Schäfer
Limites de découverte (3) Résultats actuels du Tevatron printemps 2004 – 200pb-1 DØ: KK • Données MS MS + 1dim.sup.petite Mc>1.12TeV CDF: SSM, E6 Martina Schäfer
Bruit de fond Martina Schäfer
Bruit de fond physique (1) bruit de fond irréductible: Drell-Yan (Z=,Z) Z’ Z’+DY Z’DY en plus: effet d’interférence avec le Z’ ne peut et ne sera jamais traité séparément du signal signal: Z =Z’ autres bruits de fond:(signature e+e- ou e) VV’ tt, bb, … … Martina Schäfer
bb Bruit de fond physique (2) estimation rapide du nombre des évts attendu autour du pic en masse pour 1.5TeV et 4TeV (génération avec Pythia) à 1.5 TeV, génération mis-identification d’un photon: 4% pT(e) << 50GeV à 1.5TeV, avec efficacité 100%, sans aucune coupure, 1 année basse luminosité (20fb-1) Mll/GeV Martina Schäfer
Bruit de fond physique (3) à 4TeV, avec efficacité 100%, sans aucune coupure, 1 année haute luminosité (100fb-1) à 4 TeV,génération Signal très propre, tout bruit de fond est négligeable comparé avec le DY et ne sera pas pris en compte dans ce travail. Mll/GeV à étudier: Z’ DY Martina Schäfer
Simulation Monte Carlo (signal Z’ DY ) Martina Schäfer
Simulation MC (signal) (1) • canal Z’ e+e- • générationavec Pythia • simulation complète (détecteur) avec Athena pour le Z’(KK):processus externe défini par l’utilisateur dans Pythia (T.Rizzo, G.Azuelos) • la forme BW complète est incluse pour le photon et le Z et leurs 2 premières résonances • les masses et couplages sont définis, les largeurs calculées • les autres résonances sont re-sommées • les éléments de matrice sont interfacés avec Pythia, Pythia est utilisé pour le QCDshowering des quarks initiaux et l’hadronisation (PDF: défaut, CTEQ5L) SN-ATLAS-2003-023 G.Azuelos, G.Polesello Martina Schäfer
Simulation MC (signal) (2) Z Z’ pour les autres modèles:processus prédéfini dans Pythia pourmodèles avec ce Lagrangian pour le courrant neutre couplages pour le SSM, les modèles LR et E6 Martina Schäfer
Simulation MC (signal) (3) • générationavec Pythia • Z’(KK) à 4 TeV • Z’(autres modèles) à 1.5TeV et 4TeV avec la structure d’interférence complète (DY) • sans ISR/FSR, coupure CKIN(1) soit 1000GeV soit 2500GeV • 60 000 évts pour chaque modèle • simulation complèteavec Athena • Z’(SSM, LR, E6) à 1.5TeV avec DY • Z’(SSM) et Z’(KK) à 4TeV avec DY • avec ISR/FSR, coupure CKIN(1) = 500GeV à 1.5TeV • 10 000 évts dans le pic à 1.5TeV • basse luminosité (sans empilement) • single électrons/photons et dijets pourl’identification et la calibration desélectrons Martina Schäfer
Reconstruction de Mee Martina Schäfer
simul. simul. Cinématiques pT des e- ete+ || des e- et e+ =(e-,e+)T (lab) fullsim pz du Z’ pour le SSM à 1.5TeV (génération) Martina Schäfer
Identification des électrons • uniquement clusters avec ET>50GeV 1 cluster : x = 0.075 x 0.175 (défaut) • sélection • variable “ISEM” (identification des électrons “standard”) • nombre de traces (1 or 2) • nombre de hits dans le détecteur interne (au moins 6) • efficacité • électrons(single électrons, DC1, 200GeV): 91% • électrons(single électrons, DC1, 1000GeV): 87% • photons(single photons, DC1, 200GeV ): 4% • jets (dijets, DC1, 560GeV): 0.13% • en plus: coupure sur l’angle , électrons isolés = (e-,e+)T dans le laboratoire Martina Schäfer
Calibration • calibration “standard”: photons • de-calibration et re-calibration • seulement tonneau • validée avec single électrons (200GeV et 1TeV) Stathes Paganis (University of Wisconsin)H4e résultats: Z’ (SSM 1.5TeV) electrons à 750GeV (E)/E (E=750GeV) =9.5%sqrt(E)-1 0.45% 0.6% ok (M)/M (M=1.5TeV) = sqrt(2) (E)/E 0.8% ok résolution sur l’énergie des électrons (Z’ à 1.5TeV) /E0.7% Martina Schäfer
Reconstruction du Z’ (1) seulement événements avec • 2 électrons identifiés • e+ et e- • 2 électrons dans le tonneau vérité re-calibré non re-calibré résolution sur la masse(1.5TeV) = 11 GeV + queues /E 0.7% Mll/GeV pertes par bremsstrahlung et FSR non-inclus dans cluster négligées Martina Schäfer
Reconstruction du Z’ (2) acceptance(55%, tonneau 45% ) en |cos| pour différent bins de |Y| |Y| élevée en |Y| rapidité du Z’ en |cos| |Y| basse = (q,e-) dans le repère du Z’ Martina Schäfer
Variables discriminantes • Largeur totale • Section efficace leptonique • Asymétries avant/arrière Martina Schäfer
L’interférence l’interférence : SSM (génération) pic l’interférence : Z’(KK) plus large Mll(GeV) DY+Z’ plus mince Mll(GeV) avec int. Mll(GeV) DY /GeV destructif destructif ! Mll(GeV) avec int. /GeV /GeV Martina Schäfer
Largeur totale (1) ±4 pic ajustement pour la largeur totale - génération exemple: modèle Z’() à 1.5 TeV luminosité des partons + interférence BW BW*exp+exp DY pur: approximé par exp exp (DY) DY /GeV KK: sans l’exp pour le DY Martina Schäfer
Largeur totale (2) tous les modèles, génération 1.5TeV /GeV Martina Schäfer
[Res][BW*exp+exp] largeur naturelle résolution du détecteur G+G+G G+G Largeur totale (3) M recalibrée ajustement pour la largeur totale -- simulation complète DY fit Mll/GeV simulation complète, SSM 1.5TeV résolution: parametré par: Gauss+Gauss (pic central + queues) Gauss+Gauss+Gauss(préliminaire) Martina Schäfer Mll/GeV
Largeur totale (4) bon accord! résultats à 1.5TeV – générationet simulation syst jusqu’à 6% déjà au niveau de la génération, jusqu’à 10% en simul., plus important pour petit souvent surestimée erreur stat. Martina Schäfer
Largeur totale (5) Simul. (GeV) bon accord! génération 142.0 4.3 résultats à 4TeV 194.5 16.0 /GeV Martina Schäfer erreur stat.
Largeur totale (6) Cette seule variable n’est pas suffisante pour discriminer, exemple modèles E6 2 Z’=sinß Z + cosß Z 1 Martina Schäfer
(n )/(15 ) LR 1.5TeV, génération Section efficace leptonique (1) 0.24 0.01 • calculée à partir de • la luminosité (section efficace de Pythia) • le nombre d’événements dans le pic sans le DY • dans 4 • acceptance 1 (génération) • en accord avec Pythia • * ( décroissances exotiques du Z’) résultats à 4TeV,génération etsimul. 2.2 0.1 Martina Schäfer erreur stat.
Section efficace leptonique (2) bon accord! résultats à 1.5TeV Martina Schäfer erreur stat.
Avant/Arrière (1) fraction des evts où l’approximation est fausse • dans collisions pp il n’y a pas de direction avant/arrièrenaturelle direction du q “avant” • direction du q approximéepar la direction du Z’(le quark est en général un quark de valence et alors plus rapide que l’antiquark de la mer) • dans 25% des cas faux • l’approximation est mieux à haute rapidité Y du Z’ paramétré par pol2 (Y) |Y| > 0.8: 10% faux 1.5TeV, génération Martina Schäfer
Avant/Arrière (2) distribution cos * dans le repère du Z’: exemple: Z’() à 1.5 TeV(génération) * = (e-,q) * = (e-,Z’) * = (e-,l’axe z) • cos* est asymétriqueA(true) • cos* perte de l’asymétrieA(obs) • A(cor) • cos*est symétrique M Y Martina Schäfer
AFB (1) en fonction de M A_FB(M)=(N+-N-)/N N+: cos>0, dans chaque bin en M ! il faut corriger l’acceptance ! ajustement à la distributioncos dans chaque bin de M 3/8(1+ cos2) + A_FB cos ou A(true) – vraie direction du quark ajustement comptage exemple: Z’(SSM) à 1.5TeV, génération Conclusion: Accord entre l’ajustement et le comptage – si l’acceptance est bien connue. Mll/GeV Martina Schäfer
AFB (2) en fonction de M exemple: Z’() à 4TeV, génération ajustement direction du q – A(true) direction du Z’ – A(obs) Conclusion: Perte de l’asymétrie avant/arrière. Mll/GeV Martina Schäfer
AFB (3) en fonction de M littérature:sans(avec) coupure |Y|>0.8 (comptage) q, sans coupure A(true) q, avec coupure A(true) Z’, sans coupure A(obs) Z’, avec coupure A(obs) exemple: Z’() à 1.5TeV, génération Conclusion: La coupure en |Y| réduit la perte de l’asymétrie avant/arrière. Mais: l’acceptance décroît avec |Y|. Martina Schäfer
AFB (4) en fonction de M facteur de dilution: A(obs)=D A(true), D=1-2(y) ajustement en « 2D » à la distributioncos dans chaque bin de M 3/8(1+ cos2) + A*(1-2(Y)) cos simple division ne marche pas, comme D dépend du modèle exemple: Z’(SSM) à 1.5TeV, simul. Conclusion: Ajustement en « 2D » marche, (y) est indépendant des modèles, mais dépendent de la masse. Avantage: accès à A(cor)A(true) et non pas seulement à A(obs) A(true) A(obs) A(cor) Martina Schäfer
AFB (5) en fonction de M A(true), 4TeV génération Martina Schäfer Mll/GeV
AFB (6) en fonction de M bon accord! Résultats (sur le pic) A(true) A(cor) erreur stat. erreur stat. + erreur syst. d’(y) Martina Schäfer
AFB (7) en fonction de Y A_FB(Y)=(N+-N-)/N N+: cos>0, dans chaque bin d’Y ! il faut corriger l’acceptance ! A_FB(-Y)= - A_FB(Y) simul. exemple: Z’() à 4TeV génération exemple: Z’(LR) à 1.5TeV génération Martina Schäfer