DES HAUTES TENSIONS AU SGLUON

1. DES HAUTES TENSIONS AU SGLUON Recherche de Nouvelle Physique avec ATLAS Loïc VALERY LPC – Clermont Ferrand lvalery@cern.ch Séminaire Deuxième Année Vendredi 27 Septembre 2013

2. Recherche de Nouvelle Physique Programme • Contextes • Suivi des hautes tensions du calorimètre hadronique d’ATLAS • Recherche de Nouvelle Physique • Etude du potentiel de découverte du sgluon dans ATLAS • Recherche du sgluon dans l’expérience ATLAS

3. Recherche de Nouvelle Physique ContextES

4. Recherche de Nouvelle Physique Modèle Standard • Théorie éprouvée et confirmée expérimentalement • Dernière confirmation en date par ATLAS et CMS : • Découverte d’un boson de Higgs • Contenu en particules • 6 quarks • 6 leptons • 4 bosons de jauge • 1 boson de Higgs • Quark top • Grande masse (~172 GeV)

5. Recherche de Nouvelle Physique Le quark top • Pas d’hadronisation : il se désintègre • Désintégration selon t Wb 33 % 67 % ~ 100 % • Grande masse : couplage important avec des particules prédites dans certaines théories au-delà du Modèle Standard. • Il sera notre sonde pour étudier de telles théories • Pourquoi aller au-delà du Modèle Standard ?

6. Recherche de Nouvelle Physique Au-delà du Modèle Standard : la Nouvelle Physique • Modèle Standard : quelques limitations ou lacunes • Gravitationnondécrite • Matière noire non prédite • … • Plusieurs théories alternatives proposent d’étendre ou de remplacer le Modèle Standard • Parmi ces théories, une étudiée ici : la supersymétrie • Théories testées auprès d’accélérateurs et de détecteurs

7. Recherche de Nouvelle Physique Le Large Hadron Collider : LHC • Anneau (27 km de circonférence) • Dernier accélérateur d’un complexe • Collisions proton-proton à une énergie de 8 TeV • 4 grands détecteurs • ALICE • ATLAS • CMS • LHCb • Etudes faites dans le cadre d’ATLAS

8. Recherche de Nouvelle Physique AToroidalLHC Apparatus : ATLAS • Détecteur généraliste, ~ 4π sr • Plusieurs sous-détecteurs • Plan transverse : perpendiculaire au faisceau 45 mètres y η x 22 mètres z

9. Recherche de Nouvelle Physique Le calorimètre hadronique à tuiles (TileCal) • Alternance de fer et de tuiles de plastique scintillantes • Objectif : mesure de l’énergie des hadrons (jets) • Interaction des particules avec le détecteur : émission de lumière • Divisé en 256modules : chacun peut contenir 48 photomultiplicateurs • Total de 9852photomultiplicateurs • Chaque PMT alimenté par une haute tension spécifique

10. Recherche de Nouvelle Physique SUIVI DES HAUTES TENSIONS DU CALORIMETRE HADRONIQUE D’ATLAS

11. Recherche de Nouvelle Physique Système de Hautes Tensions (HT) • Chaque module est alimenté par une même source HVin • Ajustement à la valeur souhaitée (HVset) par la boucle de régulation • Valeur régulée (HVout) enregistrée dans une base de données (DCS)

12. Recherche de Nouvelle Physique Enjeux du système de hautes tensions • Gain d’un PMT dépendant de HVout avec et des paramètres intrinsèques du PMT (mesurés) ~ 7 ~ 10-14 • Conséquence Mesure constante de l’énergie Gain constant des PMT Hautes tensions constantes au cours du temps

13. Recherche de Nouvelle Physique Comportements problématiques du système de HT • Deux principaux comportements : • Haute tension appliquée : 750 V en moyenne • ΔHV = HVout – HVsetconstant • ΔHV variable au cours du temps • Comportement le plus problématique : HT instables. • Suivi réalisé en 2012 pendant les collisions proton-proton EBC64 PMT30 EBA01 PMT02 EBC30 PMT 14

14. Recherche de Nouvelle Physique Détection des canaux problématiques • Distribution de ΔHV tracée pour chaque canal du TileCal • Ajusté par une gaussienne • Paramètresμi (moyenne) et σi (écart-type) calculés • Distribution des μide tous les canaux d’une partition tracée puis ajustée: paramètres μpart (moyenne) et σpart • Canal déclaré problématique si |μi-μpart| > 5 σpart ou σi> 0.5 V Seule la distribution est utilisée … pas l’évolution !

15. Recherche de Nouvelle Physique Détection des canaux instables • Utilisation de l’évolution de ΔHV en fonction du temps 1 point Moyenne de ΔHV sur 1 jour Valeur de μi ΔHV = μi + 0.5 V • Canal déclaré instable si plus de 5 points sont à plus de 0.5 V de μi

16. Recherche de Nouvelle Physique Résultats • Tous les canaux sont analysés par les deux critères : • Forme de la distribution de ΔHV • Evolution de ΔHV = f(t) • Canaux passant les deux critères • ΔHV trop important • Instable • Canaux éteints Etat des canaux de hautes tensions le dernier jour des collisions p-Pb (Février 2013)

17. Recherche de Nouvelle Physique Comparaison avec les systèmes d’étalonnage • Parfois, mauvaise lecture des hautes tensions … • Possible de vérifier ce fait ! Gain des PMT mesuré par d’autres méthodes • Plusieurs systèmes utilisés : • LASER : lumière LASER émise dans les PMTs (via fibres optiques) Beaucoup plus de détails dans le prochain séminaire par Emmanuelle ! • Césium : émission de γ par une source radioactive (dépôt d’énergie dans les tuiles). • Pourquoi comparer ? Hautes tensions vraiment instables Evolution du gainidentique pour les HT et les systèmes d’étalonnage Fausse instabilité Evolution du gaindifférente pour les HT et les systèmes d’étalonnage

18. Recherche de Nouvelle Physique Comparaison avec les systèmes d’étalonnage • Gain du PMT mesuré par le LASER et le Césium compatible avec les HT • Canal réellement instable HVout value

19. Recherche de Nouvelle Physique Comparaison avec les systèmes d’étalonnage • HT : augmentation du gain • LASER et Césium : gain stable Fausse instabilité

20. Recherche de Nouvelle Physique Résumé de l’analyse • Sur 9852 canaux dans le TileCal • 60 problématiques, soit 6 ‰ des canaux • dont 7 vraiment instables, soit moins de 1 ‰ des canaux • et 8 présentant un problème de lecture • Problèmes de lecture • Probablement une résistance haute tension défaillante dans la lecture • Excellentes performances du calorimètre hadronique d’ATLAS

21. Recherche de Nouvelle Physique Recherche de Nouvelle Physique AVEC ATLAS: LE SGLUON Du potentiel de découverte aux données d’ATLAS

22. Recherche de Nouvelle Physique Recherche directe de Nouvelle Physique • Démarche suivie Etude du potentiel de découverte Etude avec les données d’ATLAS Etude de la théorie • Motivations de la théorie • Etats finaux attendus • Modèle effectif simplifié • Simulation simplifiée de détecteur, analyse simple • Extraction de limites attendues • Choix d’une signature • Optimisation de la sélection • Comparaison avec les données

23. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Supersymétrie et sgluon • Plusieurs théories au-delà du Modèle Standard • Parmi lesquelles : la supersymétrie • Modèles minimaux : chaque particule du Modèle Standard associée à un super-partenaire g gluon gluino ~ ~ g σ g Spin 1 Spin 1/2 • Potentiel problème : la violation de saveur peut être plus grande que celle observée expérimentalement • Modèles plus complexes peuvent résoudre ce problème g sgluon gluon gluino Spin 1 Spin 0 Spin 1/2

24. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Propriétés du sgluon • sgluons préférentiellement produits par paire • production célibataire défavorisée par des boucles de squarks et/ou gluinos • Désintégration dépend de la masse des particules filles • désintégrations favorisées : au moins un quark top • soit : tt, tc, tu Topologie tttt Topologie tjtt Topologie tjtj

25. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Modèle effectif [Calvet, Gris, Fuks, Valéry, JHEP(2013)] • « Sgluons » aussi dans d’autres modèles (dimensions supplémentaires, théories vectorlike) • Nécessaire d’étudier le sgluon indépendamment d’un modèle complet Modèle effectif simplifié • Modèle conçu en étendant a minima le Modèle Standard : • Un seul champ ajouté (le sgluon) • Interactions inspirées de la supersymétrie(couplage préférentiel au quark top) Deux scénarios • tt, tc et tu mêmes couplages • tt uniquement

26. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Signal et bruits de fond • Etat final avec deux leptons de même charge électrique possible • Signature très claire • Très rare dans le cadre du Modèle Standard • Très rare … mais pas impossible : bruits de fond • Bruits de fond modélisés par Monte Carlo : limite de l’analyse • Simulation de l’interaction des particules avec un détecteur • Simulation simplifiée avec le logiciel Delphes2 • Reconstruction d’objets physiques: électrons, muons, jets, énergie transverse manquante (ETmiss)…

27. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Sélection des événements • Objectif :sélectionner les événements de signal et rejeter les événements de bruit de fond • Méthode plus simple : • Basée sur l’état final attendu • Une sélection par topologie de signal : 3 analyses distinctes • Exemple : topologie tjtj

28. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Résultats Analyse tttt Analyse tjtt Analyse tjtj • ≥ 2 leptons de même signe • MET > 40 GeV • ≥ 5 jets pT > 25 GeV • ≥ 3 jets étiquetés b • ≥ 2 leptons de même signe • MET > 40 GeV • ≥ 4 jets pT > 25 GeV • ≥ 2 jets étiquetés b • 2 leptons de même signe • MET > 40 GeV • ≥ 3 jets pT > 25 GeV • ≥ 1 jet étiqueté b • Nombre d’événements • Signal avec couplages identiques • σ(400GeV) : 0.69 ± 0.08 • Signal avec couplage au quark top • σ(800 GeV) : 0.82 ± 0.07 • Bruits de fond : 10.3 ± 1.5 • Nombre d’événements • Signal avec couplages identiques • σ(400 GeV) : 281 ± 11 • σ(800 GeV) : 1.06 ± 0.14 • Bruits de fond : 4191 ± 15 • Nombre d’événements • Signal avec couplages identiques • σ(400 GeV) : 36 ± 4 • σ(800 GeV) : 0.77 ± 0.07 • Bruits de fond : 286 ± 8

29. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Limites • Potentiel de découverte : limite attendue • Section efficace : probabilité d’occurrence d’un processus • Limite : section efficace au-delà de laquelle le signal devient visible malgré le bruit de fond (et les incertitudes). Nouvelle Physique  Pas de Nouvelle Physique  Grande section efficace du signal Si Nouvelle Physique : VISIBLE

30. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Limites • Potentiel de découverte : limite attendue • Section efficace : probabilité d’occurrence d’un processus • Limite : section efficace au-delà de laquelle le signal devient visible malgré le bruit de fond (et les incertitudes). Nouvelle Physique  Pas de Nouvelle Physique  Petite section efficace du signal Impossible de discerner les deux cas …

31. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Limites Limite : bruit de fond x 10 Limite Section efficace théorique Limite en masse pour l’analyse tjtj • Analyse dans ATLAS: 10 x plus de bruit de fond que prédit par MC • Faux leptons, mauvaise identification des charges électriques • Limite recalculée dans cette hypothèse

32. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Limites Analyse tttt Analyse tjtj Analyse tjtt Topologie la plus prometteuse : tttt Avec désintégration privilégiée en tt

33. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Choix de la signature • Etude de prospective : • topologie tttt avec deux leptons de même signe accessible • Uniquement cas où σtt • Analyse portée dans ATLAS : améliorations attendues • prise en compte de l’empilement des collisions (pile-up) • isolation des leptons correctement prise en compte • certains bruits de fond déterminés à partir des données

34. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Bruits de fond • Deux types de bruits de fond : • bruits de fond avec leptons de même signe : simulation MC • autres bruits de fond : à partir des données • bruits de fond avec leptons provenant de : • désintégrations semi-leptoniques de mésons beaux • conversion de photons • … • bruits de fond avec deux leptons mais erreur sur la charge électrique de l’un : • essentiellement par un fort bremsstrahlung • négligeable pour les muons (107 fois plus rare que pour les électrons)

35. Recherche de Nouvelle Physique Potentiel de découverte ATLAS Théorie Sélection 3 catégories ee, eμ et μμ (selon le type de leptons) • Sélection minimale : • Critères de qualités divers • 2 leptons de même charge électrique • M(l1,l2) > 15 GeV et | M(l1,l2) - MZ | > 10 GeV (canaux eeet μμ) • Variables supplémentaires pour la sélection : Njets Nombre de jets ETmiss Energie transverse manquante Nb-jets Nombre de jets étiquetés b HT Somme des impulsions transverses leptons et jets

36. Recherche de Nouvelle Physique Variables Njets Etmiss[GeV] Nb-jets HT [GeV] • Distributions différentes pour le signal et les bruits de fond : • variables discriminantes

37. Recherche de Nouvelle Physique Optimisation de la sélection • Basée sur la limite attendue en masse • Choix : plus grande limite attendue en masse • Plusieurs combinaisons de sélections sur HT, Njets, Nb-jets, ETmiss Etmiss ≥ 40 GeV • Choix final : Njets ≥ 2, Nb-jets ≥ 2, ETmiss> 40 GeV, HT > 650 GeV

38. Recherche de Nouvelle Physique Résultats [ATLAS-CONF-2013-051] • Observations en accordles attentes Nombre d’événements attendus Nombre d’événements observés • Pas d’excès significatif • On interprète en terme de limite observée

39. Recherche de Nouvelle Physique Limites • Limite attendue : ~820 GeV • Limite observée: 800 GeV

40. Recherche de Nouvelle Physique Conclusions • Système de régulation des hautes tensions • Critères efficaces : possible de détecter les dysfonctionnements • Excellentes performances du système (moins de 1 ‰ de canaux instables) • Recherche de Nouvelle Physique • Analyse phénoménologique : ATLAS sensible au sgluon • Recherche dans ATLAS : nombreuses améliorations • Modélisation des bruits de fond • Prise en compte des incertitudes systématiques • … • Pas d’excès significatif : limite observée de 800 GeV

41. Recherche de Nouvelle Physique Et après ? • Système de régulation des hautes tensions • Travail en cours sur le suivi des réparations • Recherche de Sgluon dans ATLAS • Publication en fin d’année • Analyse plus raffinée : • Optimisation faite canal par canal • Utilisation d’outils multivariablesen cours d’étude • Optimisation du calcul de limite • Mais aussi: • Recherche de résonances top-antitop: publication en fin d’année • Raffinement de la réjection de l’effet d’empilement