tude du quark top avec ATLAS au LHC

Étude du quark top avec ATLAS au LHC Mise en route du calorimètre électromagnétique Bernardo Resende Thèse sous la direction d’Emmanuel Monnier

Le LHC au CERN LHC : Grand Collisionneur de Hadrons – Énergie par collision p-p : 14 Te. V – Fréquence de collision : 40 MHz – Luminosité : 1033 puis 1034 cm Mise en service en 2007 -2008 au CERN -2 s-1 – Fin 2007 : collisions à 450 Ge. V – Juillet 2008 : collisions à énergie nominale – Objectif fin 2008 : quelques fb-1 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 2

L’expérience ATLAS Collaboration internationale (1800 personnes, 34 pays) Détecteur à couches – Trajectographe internesuccessives – Calorimétrie – Trajectographe à (champ – muons Déclenchement (40 MHz 10 - 22 (champ magnétique solénoïdal) 42 m magnétique toroïdal) 100 Hz) Large programme de recherche – Higgs, SUSY, MS, top, B, exotiques… – Physique de précision, 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 3

Le détecteur ATLAS – état actuel (1) Première couche Pixels assemblée en surface SCT et TRT tonneau assemblés en surface Premiers rayons 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre cosmiques combinés 4

Le détecteur ATLAS – état actuel (2) Calorimètres EM dans le puits, câblage / électronique en cours Tonneau : refroidi à 90 K 11/09/2006 Bouchons : refroidis bientôt Aimant solénoïdal intégré dans cryostat tonneau et refroidi à 4. 5 K, champ cartographié in situ B. Resende - Quark top -Calorimètre 5

Le détecteur ATLAS – état actuel (3) Aimants toroïdaux tonneau installés dans le puits – Refroidissement et cartographie du champ bientôt 11/09/2006 Aimants toroïdaux bouchon en cours d’intégration dans les cryostats (surface) B. Resende - Quark top -Calorimètre 6

Le détecteur ATLAS – état actuel (4) Chambres à muons : ~50% installées dans le puits Grande roue 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 7

Le LHC, une usine à quarks top Basse luminosité : 1033 cm-2 s-1 (~10 fb-1/an) – Paires top-antitop : s ~ 850 pb – Tops seuls : s ~ 300 pb Plusieurs millions de tops par an, quelques dizaines en haute luminosité Mesures de précision possibles Requiert toutes les parties du détecteur Calibrage lors du démarrage d’ATLAS Le quark top est aussi un bruit de fond, notamment pour le Higgs 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 8

Le quark top Dernier quark du MS, découvert en 1995 au Te. Vatron – Grande masse : ~175 Ge. V ~ échelle de brisure de symétrie EF • Couplage de Yukawa au Higgs : ytop ~ 1 – Couplages possibles avec nouvelles particules très Producti • Section efficace lourdes b p on l+ • Polarisation du + W top Large programme d’étude au LHC (paires topn t • Couplages antitop) : • Rapports d’embranchement • Polarisation du W • Couplages anormaux • Décroissances rares 11/09/2006 hors MS t Décroissan ce p b anormaux • Résonance tt W- Caractéristiques du • Masse, top Spin, Charge B. Resende - Quark top -Calorimètre q q 9

Résumé des propriétés du top Le quark top observé au Te. Vatron reste peu connu limité par la statistique (reconstruction complète difficile) Masse précision ~ 1. 2% Charge électrique ⅔ -4/3 exclu @ 94% L. C. Spin ½ pas d’étude concluante BR vers b quark ~ 100% vérifié à 20% avec 3 générations Couplage faible V – A vérifié à 20% FCNC BR exclu : 0. 1 Largeur du top ? ? Observer d’abord les tops seuls… Couplage de Yukawa (tt. H) ? ? Observer d’abord le Il. Higgs… reste beaucoup de place pour de la nouvelle physique avec le quark top Le Te. Vatron (run II) a commencé à explorer en détail le secteur du top 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre Le LHC sera une usine à tops pour des mesures de 10

Sélection et reconstruction Sélection standard pour tt semileptonique – – 1 lepton isolé, p. T>20 Ge. V, |h|<2. 5 p. Tmiss > 20 Ge. V déclencheme nt ≥ 4 jets, p. T > 40 Ge. V ≥ 2 jets étiquetés b rejet bruit de fond (W+4 jets) Reconstruction de l’événement des 2 t W( jj)b § Choix proche de M jets non-b avec Mjj plus W t §§ Choix jetν et b avec Mjjbcontrainte plus proche de Mt miss du ν par P = P P M = M T T z lν w W( l )b § Choix du jet b le plus proche du lepton § Choix du n avec Mlνb plus proche de Mt Combinatoire § Exclure masses trop éloignées (3σ) de Mw et Mt (bruit de fond dominant) 11/09/2006 Efficacité : ~1 %, pureté : 70 B. Resende % - Quark top -Calorimètre 11

Polarisation du boson W issu du top Test de la décroissance du top… – Polarisation dépend seulement de Mt et MW (1 er ordre) W+ longitudinal (F 0) Modèle Standard (Mtop=175 Ge. V) 0. 703 NLO W+ droit (FR) W+ gauche (FL) 0. 297 0. 695 0. 000 0. 304 0. 001 Test de la structure V-A Tests Électrofaibles 1/N d. N/dcos …par la distribution angulaire du lepton dans le référentiel du W n b t W+ l+ 11/09/2006 Angle entre : • le lepton dans le réf. du W • le W dans le réf. du top B. Resende - Quark top -Calorimètre cos 12

Méthode de mesure (1) Biais dû aux effets d’acceptance et reconstruction rapport reco/MC niveau partonique correction : cos 1/N d. N/dcos Reconstructi on et coupures 1/poids 1/N d. N/dcos – Correction unique (calculée sur échantillon indépendant) pour toutes les études Fonction de cos appliquer poids à chaque cos événement Méthode utilisée pour la polarisation du W et du top 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 13

Méthode de mesure (2) 1/N d. N/dcos Fonction de correction unique venant de la simulation rapide –Simulation Motivation : très bon accord cinématique avec la rapide – Simulation complète – Top. Re. X MC@NLO simulation complète Top. Re. X -1 0. 7 fb 10 fb-1 F 0=0. 699 ± 0. 005 FL=0. 299 ± 0. 003 FR=0. 002 ± 0. 003 F 0=0. 69 ± 0. 03 FL=0. 30 ± 0. 02 FR=0. 01 ± 0. 02 cos 0. 5 fb-1 F 0=0. 71 ± 0. 03 FL=0. 29 ± 0. 02 FR=0. 00 ± 0. 02 cos Valeurs MS retrouvées : pas de biais Méthode validée et robuste 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 14

Étude des systématiques Calculées en simulation rapide Confirmées en simulation complète Q-scale PDFs ISR/FSR ex. : Calibrage énergie jet b Frag. b Hadronisation Étiq. b (± 5%) Mauv. cal. b (± 3%) Masse top (± 2 Ge. V) sim. rapide complète sim. S/B (± 10%) Empilement (2. 3) Dépendance identique B. Resende - Quark top -Calorimètre Contributions dominantes (semilep) 11/09/2006 15

Résultats – polarisation du boson réf : EPJC 44 S 2 W (2005) 13 Étude dans le canal semileptonique Valeurs MS Simulation rapide (10 fb -1) Simulation complète (0. 5 fb-1) ATL-PHYS-PUB-2006 -022 F 0 0. 703 0. 699 ± 0. 005 ± 0. 023 FR 0. 000 0. 001 ± 0. 003 ± 0. 012 0. 71 ± 0. 04 0. 00 ± 0. 02 Précision entre 1% et 2% dominée par erreur statistique / erreur systématiques Erreur statistique prévue au Te. Vatron (2 fb-1): δF 0 stat~0. 09 stat~0. 03 δF R 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 16

Sensibilité à la nouvelle physique Polarisation du W déduire sensibilité aux couplages t. Wb anormaux Approche générique avec un Lagrangien effectif F 0 et 4 couplages (MS au 1 er ordre, Limite à 2σ (stat syst) sur = 0. 04 ± 1 s 3 fois meilleure que les limites indirectes (usines à B, LEP) Moins sensible à et déjà Couplages anormaux fortement contraints par les 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 17 usines à B )

Polarisation dans les paires tt Test de la production de la paire par QCD… – Tops non polarisés, mais paires de même spin favorisées A=0. 42 cher spin ≠ 1/2, couplages anormaux, t H+b Mtt < 550 Ge. V AD=-0. 29 … par les distributions angulaires dans les réf. de repos des tops Angle entre t(t) et analyseurs de spin Angle entre analyseurs de spin 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 18

Résultats – corrélation de spin réf : EPJC 44 S 2 (2005) 13 ATL-PHYS-PUB-2006 -022 Étude dans le canal semileptonique Valeurs MS Simulation rapide (10 fb -1) Simulation complète (0. 7 fb-1) A 0. 422 ± 0. 020 ± 0. 081 AD -0. 290 -0. 288 ± 0. 012 ± 0. 036 0. 67 ± 0. 10 -0. 33 ± 0. 06 erreur statistique / erreur systématique Précision de l’ordre de 10 % dominée par systématiques Avec canal dileptonique, précision entre 3% 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre et 6% 19

Quark top – Conclusion Étude sur la polarisation du top et du W – Étude nouvelle (par rapport au TDR physique) – Résultats en sim. rapide (article EPJ) vérifiés en sim. détaillée – Encourageant : sensibilité de quelques % en un an (1033 cm-2 s-1) Avec un détecteur parfait et bien compris !… – Comparaison entre générateurs MC effectuée – Avant les données : • Préparation des études avec les premières données • Simulation « réaliste » du détecteur basée sur les tests in 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 20

Calorimètre électromagnétique Calorimètre à échantillonnage Plomb/Argon liquide (90 K) – Géométrie en accordéon des électrons et photons (du Mesure précise de l’énergie herméticité Ge. V au Te. V) – Résolution en énergie : a ~ 10% Ge. V-½ ; b < 300 Me. V ; c < 1% Uniformité (terme constant) : meilleure que 1% – CPPM maîtreen d’œuvre pour les Électronique deux parties – bouchons Électronique froide dans le cryostat : distribuer haute tension et calibrage – Électronique chaude : lecture et traitement du signal – Châssis frontaux : 32 + 26 (tonneau + bouchons) de 2 x 15 cartes chacun 11/09/2006 - Quark top -Calorimètre 21 Près de 200 B. Resende 000 canaux de lecture de différents types

Construction et tests Construction : 2001 – 2004 – 32 (16) modules tonneau (bouchons) testés à froid – Dont 4 (3) modules testés sous faisceau Assemblage au CERN : 2003 – 2004 – Insertion dans les cryostats – Tests d’uniformité (chaud et froid) en surface Installation puis mise en oeuvre dans le puits : depuis fin 2004 – Tonneau et bouchons en place – Tonneau froid et rempli, bouchons refroidis bientôt – Installation des cartes d’électronique chaude • Tonneau : 14 châssis sur 32 installés et testés 11/09/2006 B. Resendesur - Quark -Calorimètre • Bouchons : 14 châssis 26 top installés et testés 22

Signal physique et calibrage Signal de Entrée : calibrage physique ou calibrage Courant d’entrée : Signal physiqu e DAC Trois gains selon la valeur du courant Électroniqu e froide (calorimètr e) Carte de calibrage gamme dynamique : 50 Sortie : signal ADC Me. V – 3 Te. V numérisé (ADC) – Échantillonné toutes les 25 ns 11/09/2006 Carte d‘électronique frontale (lecture) B. Resende - Quark top -Calorimètre 23

Utilisation des données de calibrage Relation entre signal électronique et énergie : Coefficients de filtrage optimal données calib. Données calib. : Mesures Rampes de résistanc es zone linéaire brui t 11/09/2006 saturation (ADCmax atteint) Étalons physiques (tests en faisceau + simulation) Diverses prises de données calibrage Rampes : étudier variations ADC / DAC – Dépendance linéaire attendue – Non-linéarités (~1%), saturation B. Resende - Quark top -Calorimètre 24

Calibrage – Perspectives Étude des rampes en cours – Paramètres pour chaque cellule ; uniformité – stabilité – Tests et mesures sur les cartes en cours d’installation – Repérer canaux – lignes calibrage – cartes problématiques Mettre informations à disposition : bases de données – Calorimètres EM et hadronique + Étape suivante : tests avec rayons cosmiques déclenchement (muons) – Étude du temps de réponse des cellules avec événements de physique – Estimer uniformité et stabilité de tout le détecteur – Tonneau en cours, bouchons dans 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 25

Conclusions Étude sur le quark top conclusive – Deux notes publiques ATLAS acceptées • Comparaison cinématique + Polarisation • Présentations (groupe MS, TOP 2006, PAF) – Participation active aux productions MC d’ATLAS • Utilisées pour les études sur les premières données top Participation à la mise en œuvre du calorimètre EM – Prise et traitement des données de calibrage • Développement d’outils de suivi et d’analyse – Comprendre détecteur + électronique avant mise en service 11/09/2006 B. Resende - Quark top -Calorimètre 26