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Martina Schäfer

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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  1. 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

  2. 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

  3. LHC et ATLAS Martina Schäfer

  4. LHC @ CERN (1) • machine p-p avec 14 TeV (Fermilab 2 TeV) • 2007-2009: L ~ 21033 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

  5. 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

  6. nombreux domaines LHC @ CERN (3) • ATLAS • CMS • LHCb • physique du B • violation CP • ALICE • ions lourds • plasma quark-gluon Martina Schäfer

  7. ATLAS (1) optimisé pour la recherche du Higgs et de la nouvelle physique collaboration (bât.40) site d ’ATLAS caverne d ’ATLAS Martina Schäfer

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 1ère roue du barrel LPSC accordéon (barrel) ATLAS (5) module du barrel PS Martina Schäfer

  12. Modèles pour le Z’ & Limites de découverte Martina Schäfer

  13. 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 • E6SO(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

  14. 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

  15. 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

  16. Limites de découverte (2) Résultats actuels du Tevatron printemps 2004 – 200pb-1 fin d’été 2004 200pb-1 CDF Martina Schäfer

  17. 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

  18. Bruit de fond Martina Schäfer

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. Simulation Monte Carlo (signal Z’ DY ) Martina Schäfer

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. Reconstruction de Mee Martina Schäfer

  27. 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

  28. 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

  29. Calibration • calibration “standard”: photons • de-calibration et re-calibration • seulement tonneau • validée avec single électrons (200GeV et 1TeV) Stathes Paganis (University of Wisconsin)H4e 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) /E0.7% Martina Schäfer

  30. 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

  31. 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

  32. Variables discriminantes • Largeur totale • Section efficace leptonique • Asymétries avant/arrière Martina Schäfer

  33. 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

  34. 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

  35. Largeur totale (2) tous les modèles, génération 1.5TeV /GeV Martina Schäfer

  36. [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

  37. 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

  38. Largeur totale (5) Simul. (GeV) bon accord! génération 142.0 4.3 résultats à 4TeV 194.5 16.0 /GeV Martina Schäfer erreur stat.

  39. Largeur totale (6) Cette seule variable n’est pas suffisante pour discriminer, exemple modèles E6 2  Z’=sinß Z + cosß Z 1 Martina Schäfer

  40. (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.

  41. Section efficace leptonique (2) bon accord! résultats à 1.5TeV Martina Schäfer erreur stat.

  42. 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

  43. 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 asymétriqueA(true) • cos* perte de l’asymétrieA(obs) • A(cor) • cos*est symétrique M Y Martina Schäfer

  44. 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

  45. 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

  46. 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

  47. 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

  48. AFB (5) en fonction de M A(true), 4TeV génération Martina Schäfer Mll/GeV

  49. 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

  50. 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

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