Travaux pratiques des Master Classes Analyse des vnements

Travaux pratiques des Master. Classes : « Analyse des événements du détecteur DELPHI au LEP» Sylvie Dagoret-Campagne [email protected] in 2 p 3. fr 1

Objectif • Regarder les événements e+e- Z 0 dans le détecteur DELPHI (50 à 100), • Classer ces événements selon le mode de désintégration du Z 0 • On va « scanner » les différents événements, • On va compter le nombre d’événement dans chaque mode • Calculer le rapport d’embranchement du Z 0 dans ces différents modes c’est-à-dire la probabilité de désintégration • On va comparer nos mesures avec celle effectuées dans d’autres classes par vidéoconférence avec le CERN. 2

Rappel : Que voulons nous étudier ? Une collision e+ e- g g e- e+ g g 3

Qu’est ce qu’une réaction d’annihilation matière antimatière L'interaction d'une particule et de son antiparticule conduit à leurs destruction et de la transformation de leur masse et leur énergie cinétique en une nouvelle particule neutre, un photon ou un Z 0. Après un temps très court la nouvelle particule crée se désintègre à nouveau en une paire de particule - antiparticule. Interaction Création Désintégration En c cbar annihilation Z ou γ Habillage des quarks en jets De particules secondaires 4

Désintégration • Presque toutes les particules élémentaires sont instables • Elles se désintègrent en particules de masse inférieure, avec des temps caractéristiques qui dépendent de l'interaction responsable de la désintégration • Exemple de désintégration K+ in p++p 0 Observation Interprétation 5

Désintégration du Z 0 Le Z 0 est une particule instable. Après avoir été produit, il doit se désintégrer dans des particules de matière plus légères que lui. • Une particule Z 0 peut se désintégrer dans l’un des modes suivants: • Deux électrons (Z 0→ e+ + e- ) ~3, 3 % • Deux muons (Z 0→ m+ + m-) ~3, 3 % • Deux taus (Z 0→ t+ + t- ) ~3, 3 % • Deux neutrinos (Z 0→ n + n) (n=ne, nm, nt) • Deux quarks (Z 0→ q + q ) (q=u, d, c, s, b le t est plus lourd que le Z 0) ~10 % ~20 % INVISIBILE! ~70 % 6

Désintégration du t Le tau se désintègre par l’intermédiaire d’un boson intermédiaire W ~18 % § t- → m- + nm + nt § t- → e- + ne + nt ~18 % § t- → h- +ng+ nt ~49 % - + - § t → h h h + ng+ nt ~15 % (h un hadron générique) Soit un événement Z 0→ t+ + t- les 2 t se désintègrent indépendamment, il y a alors les différents états finaux possibles: 2 électrons 2 muons 1 électron 1 muon 1 électron et 1/des hadrons 1 muon 1/des hadrons 7

On observe les produits de la collision dans un détecteur 8

Le détecteur DELPHI C’est complexe ! On va simplifier 9

Le Détecteur DELPHI simplifié Le calorimètre hadronique Détecteur de traces Le calorimètre électromagnétique 10

Visualisation d’événements avec le détecteur DELPHI 11

Coupe transversale d’un détecteur typique 12

Coupe Transversale d’un détecteur typique 13

Exemple de détection « interactive » dans le détecteur CMS au LHC 14

Z → e+e. Deux traces à 180° l’une de l’autre, Energie importante déposée dans le calorimètre électro-magnétique Détecteur de traces Calorimètre électromagnétique Calorimètre hadronique 15

Un événement Z 0 → e+e- dans DELPHI 16

Exemple de Z e+e. Détecteur de traces : -2 traces seules -directions opposées Calorimètre électromagnétique : -2 dépôts E (taille=dépôt≠direction) Détecteur de traces calorimètre électromagnétique calorimètre hadronique chambres à muons ~toute l’énergie mesurée (MET~0) 17

Z → m+m. Deux traces émises à 180°, Pas ou très peu de signal dans les calorimètres, Signal dans les détecteurs externes (détecteurs de muons) Détecteur de Traces Calorimètre électromagnétique Calorimètre hadronique Détecteur Externe De muons 18

Exemple de Z µ+µ- « µ » =muon Détecteur de traces calorimètre électromagnétique calorimètre hadronique chambres à muons similaire à e+e-, mais µ : mais signal dans chambre à muons 19

Z → qq Les quarks donnent naissance à un jet de particules à cause de l’interaction forte qui habille les quarks. Il y a de nombreuses traces Dans le détecteur de traces. Il peut y avoir 2, voir 3 et plus rarement 4 jets de particules de toute nature Détecteur De traces Calorimètre électromagnétique Calorimètre hadronique Détecteur de muons 20

Un événement hadronique dans DELPHI : Z 0 quarks et gluons Détecteur de traces Calorimètre électromagnétique Calorimètre hadronique 21

Détecteur de traces Exemple Z qq 2 jets calorimètre électromagnétique éloignement quarks calorimètre hadronique création paire q-q, etc… : jets chambres à muons 2 quarks 2 jets (hadrons, autres particules) traces Calo électromagnétique Calo hadronique Les jets peuvent contenir des muons µ dans jet 22

Z qq- 3 jets eg : Z qq +1 gluon : topologie 3 jets Détecteur de traces calorimètre électromagnétique calorimètre hadronique chambres à muons fréquent : q : émission gluon ( jet) topologies 2, 3, 4 jets… 23

Z qq exemple de 5 jets eg : Z qq+3 gluons 5 jets 24

Z t+t- « t » =tau t non détectés : désintégration rapide en autres particules 17 % t e+ne+nt 17 % t µ+nµ+nt t hadron+nt 65 % Les neutrinos induisent de L’énergie transverse manquante importante (MET) Détecteur de traces 1, 3 traces chargées calorimètre tt : 2, 4 ou 6 traces chargées électromagnétique calorimètre hadronique chambres à muons t µ+nµ+nt t e+ne+nt 25

Autre exemple de Z t+tt : hadronique+ nt Détecteur de traces calorimètre électromagnétique calorimètre hadronique chambres à muons gerbes particules t µ+nµ+nt µ « + » : muon 27

Entrainement à l’analyse d’événements 28

Z 0 e+ e- 31

Z 0 e+ e- 32

Z 0 qq 35

Z 0 qq (2 jets) 36

Z 0 qqg (3 jets) 37

Z 0 qqg (3 jets) 38

Etrange Z 0 τ+ τ- 39

Etrange Z 0 τ+ τ- 40

Travaux pratiques : Ce que vous, chaque groupe A, B, . . doit remplir ! 42

Travaux pratiques : Ce que nous encadrants devons collecter 43

Les résultats que nous devons obtenir 44

Qu’est qu’une fluctuation statistique • on compte k événements d’un type donné, • la valeur théorique prédite est λ, • la probabilité de compter k est donnée par la Loi de Poisson : Distribution du nombre d’événements comptés d’un type donné • la largeur de la distribution moyenne par rapport aux voisins est √k σ =√k • Ecart ~ 1 σ OK, normal • Écart ~ 2 σ attention, mais on ne peut rien dire, • Écart ~ 3 σ très curieux • Ecart à 5 σ découverte !!! Probabilité ~68% 45

Comparaison des résultats entre différents pays fait par le CERN en video conférence Attention Aux événements τ+τ- 46

A vous de jouer 47

Bonus 48

Le Higgs tel qu’il aurait pu être découvert dans DELPHI 49

Recherche d’un Boson de Higgs au LHC dans le détecteur de trace 18 interactions pp enregistrées simultanément avec une interaction intéressante dans laquelle un Higgs se désintégrant en 4 muons énergétiques sont émis Où sont les 4 muons? 50

Recherche d’un Boson de Higgs au LHC dans le détecteur de trace H μμμμ • Après suppression des traces • avec p < 2 Gev • On distingue les 4 muons en jaune 51

Recherche d’un Boson de Higgs au LHC dans le détecteur de trace H μμμμ 52