eve chareyre
Post on 15-Apr-2017
652 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Identification des électrons dans la partie avantdu calorimètre électromagnétique d'ATLAS au LHC
et analyse des premières données
Eve Chareyre
2
PLAN
➢ Le LHC et l'expérience ATLAS
➢ Motivations d'exploiter les électrons
➢ Études à partir du générateur Pythia
➢ Les tests en faisceaux
➢ Les données
➢ Reconstruction des électrons à l'avant
➢ Les méthodes discriminantes
➢ Les résultats
1ère partie : Introduction 2ème partie : Identification desobjets électromagnétiques à l'avant
3ème partie : Application aux premières données➢ Les données réelles
➢ Les données simulées à biais minimum
➢ Comparaison données/données simulées
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 3
INTRODUCTION
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 4
Le Large Hadron Collider
Circonférence : 27 km
Profondeur : 50 à 175 m
ATLAS
CMS
ALICE
LHCb
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 5
Le programme de physique au LHC
Un large domaine d'étude :
Découverte du boson de Higgs dans le cadre du Modèle Standard entre 114 GeV et 1 TeV s'il existe
Recherche du boson de Higgs dans des modèles plus exotiques (supersymétrie...)
Mise en évidence d'une nouvelle physique (boson W', Z', supersymétrie)
Affinement des mesures pour les propriétés des particules du Modèle Standard :
Propriétés du quark top Propriétés des bosons W et Z
Etude des processus QCD
6
La chaîne d'accélération
Avantage de collisions protonproton
✗ limitation du rayonnement synchrotron
✗ énergies très élevées
✗ pas d'antiproton à produire
Luminosité : actuelle 103 1 cm 2 s 1
(collisions à 7 TeV)
prévue 103 4 cm 2 s 1
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 7
Prises de données de 900 GeV à 7 TeV
FinduLEP
Construction du LHC
Arrêt
21 n
ove m
bre
2009
Été
200
4
2 no
vem
bre
2 000
19 s
ept e
mbr
e 20
08
10 s
ept e
mbr
e 20
08
1er démarrage
Tests en faisceaux combinés
Chronologie du LHC
Redémarrage
8
Détecteur interne :● Pixels● SCT● TRT
➔Reconstruction destraces et des vertex
primaires➔Séparation e/
Calorimètre électromagnétiqueÉchantillonnage PbLAr➔ Reconstruction e, ➔ Mesure d 'énergie et position
Calorimètre hadronique :Fe/scintillateur (partie centrale)Cu/LAr (partie avant)➔ Reconstruction des jets ➔ Mesure E
T manquante
Spectromètre à muons : Champ magnétique toroïdal+ aimants supraconducteurs➔ Chambres à fils : déclenchement + mesures trajectoires
Système de déclenchement :3 niveaux ➔ Réduction desdonnées de 40 MHz à 100 Hz
Longueur ~ 46 m, diamètre ~ 22 m, 7000 tonnes, 108 capteurs
A Toroïdal LHC ApparatuS
9
Prise de données d'ATLAS
Efficacité de prise de données : 95 %Luminosité : 1.0 ×1031 cm−2 s−1
1e r candidat W1e r candidat Z
1e r candidat top
10
Perspectives du LHC à court/moyen terme
7 TeV
Luminosité intégrée actuelle : 3.6 pb1
Fin 2010
Fin 2011 : 1 fb1
Niveau de détectabilité d'un processus donné
A l'horizon 2011 :
Mesures de précision sur les sections efficacesdes bosons Z et W ainsi que du quark top
Limites sur le boson de Higgs standard
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 11
La découverte du boson de Higgs nécessite un système calorimétrique performant :
Une acceptance la plus large possible
Une résolution en énergie de avec un terme constant très petit (<0.7%)
Une bonne granularité (0.025*0.025 en et dans le compartiment 2) pour l'identification des e+, e et jets
Mesure des positions avec une résolution de
Découverte du Higgs
Jets Photons
électrons
Missing Et
10%/E
50 mrad /E
100%/ERésolution des jets
13/09/2010 12
Calorimètre électromagnétique
Coordonnées pseudoprojectives en , :
= ln(tan( /2))
=1.475
=3.2
=0
HEC : Hadronic End Cap
EMEC : Electromagnetic End Cap
Structure du calorimètre électromagnétique
A :00.8 B : 0.81.475 D : 1.3752.5 C : 2.53.2 (granularité plus grossière
dans la partie centrale)
pas de suivi des traces chargées!
Structure en accordéon dans le barrel et endcap couverture hermétique géométrie parfaitement projective en et
C
DBA
Structure Argon liquide + plomb : bonne toléranceaux radiations
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 14
Motivations pour aller chercher les électrons à l'avant
Les bosons W et Z constituent une source importante de production d'électrons :
Z e→ +e
W e→
H ZZ 4l→ →H WW l→ → l
Une des désintégrations possibles duquark top est :
t Wb→
Plusieurs signatures du Higgs peuventcontenir un électron :
Densité de bruit de fond plus importanteà l'avant :
Interactions entre faisceaux et gaz
Particules du halo des faisceaux
Augmentation sensible de la statistique en e
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 15
Les sources de production des électronsVia le boson Z
Section efficaces qui augmentent avecl'énergie dans le centre de masse.
Production par annihilation de paires q qbar dominante
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 16
Désintégration en paire de leptons
Electrons à haute impulsion transverse
e+,e partie centrale
e+ e partieavant
1 avant1 centrale
13/09/2010 17
Les sources de production des électronsVia le boson W W − e W −− e−
Distributions en y fortement différentes (comportementnon symétrique en q et qbar)
Collisions pp @ 14 TeV Collisions ppbar @ 14 TeV
Proton : 2 quarks u et un quark d
Asymétries de charge
W +≠W
W +=W
2 fois + de quarks u que d
13/09/2010 18
Collisions pp @ 14 TeV Collisions ppbar @ 14 TeV
Désintégration en et
Absence d'antiquarks de valence dans les collisions pp +Couplage du W aux fermions dans les interactions électrofaibles
W − e
W −− e−
Asymétries de charge plus larges que pour le W
→ couplage du W aux fermions
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 19
W e
W + e+
20Les électrons sont détectés majoritairement dans la partie centrale
Désintégration en mode leptonique
e+ e partie centrale
e+ e partie avant
1 partie avant1 partie centrale
Les sources de production des électronsVia le J/ª
7 TeV 7 TeV
7 TeV
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 21
Identification des objets électromagnétiques à l'avant
22
Les tests en faisceaux
Données de pions et d'électrons : 6 GeV < E < 200 GeVConfiguration aussi proche
que possible de celle d'ATLAS
BPC : chambre à fils V, M1, M2 : parois scintillantes S, B : compteurs à scintillations
Position du pointd'impact : = 2.8
(+ grande variété de types de faisceaux utilisés)
Ligne H6
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 23
Les données
Faisceau étroit~ 1cm
Faisceau plus large : ~ quelques cm
2 périodes de prises de données
4000 prises de données : 80 millions d'évènements
Pions, électrons, muons : 6 GeV < E < 200 GeV
Les données de tests en faisceaux Les données simulées
Simulation complète,géométrie ATLAS
Pions et électrons :10 GeV < E < 150 GeV
Quantité de matière devant le calorimètre différente !
13/09/2010 24
Reconstruction des électrons
cellule la + chaude
cluster
EMEC compartiments 2 et 3 : 9 cellules
HEC compartiments 0, 1 et 2 : cellules0.25 en22
Energie du « cluster » en fonction de la couverture angulaire en η
Uniformité meilleure que le % !
+ corrections
Taille des cellules dans :
le HEC : 0.2 × 0.2 l'EMEC : 0.1 × 0.1
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 25
Les corrections
➢ Corrections de haute tension : 10 %
E corr=Ecell
1 .cell−0
Non uniformité globale due aux variations du champ électrique
➢ Corrections au niveau du cluster
Correction résiduelle en : 2% cellule la + chaude
Particule décentréeParticule au centre
Correction en : < 1%
Non uniformité du champ électriquesuivant (structure périodique desabsorbeurs)
Coefficient de normalisationà l'énergie du faisceau ~ 1
Centre du secteur
0.55
Définition des lots de données :Etude des contaminations (partie I)
Contaminations dans les données de pions
Les électrons déposent leur énergie principalement dans l'EMEC mais peuvent aussi déposer une faible fraction d'énergie dans le HEC
électrons
Electrons contaminant les pions (vérifié dans la simulation)
Comptage du taux d'évènements détectés entre 5 GeV et la position du pic – 3 :
Normaliser le nombre d'évènements détectés sur le même intervalle mais pour un faisceau d'électrons :
Contamination=N 1
N 2
×N1
'
N 2'
N1
N2
N1'
N2'
200 GeV 120 GeV 60 GeV
Constantes en et petites > ne dépendent pas de la géométrie du détecteur
Pour une énergieet une position
pions électrons
La présence d 'électrons dans les données de pionsdétériore l'estimation des facteurs de rejet
27
Définition des lots de données :Etude des contaminations (partie II)
Contaminations en pions dans les données d'électronsLes faux électrons ont été définis comme des évènements déposant plus de 2.5 GeV dans le HEC0 (vérifié
dans la simulation)
Données d'électrons à 60 GeV
Données de pionsà 60 GeV
Données simulées ATLAS pour une géométrie complète du détecteur
Comptage du taux d'évènements détectés au delà de 2.5 GeV
Normalisation du nombre total d'évènementssélectionnés sur le même intervalle mais pour des électrons
200 GeV 120 GeV 60 GeV
Ces contaminations dépendent clairement de l'énergiedu faisceau
La présence de pions dans les données d'électrons détériore l'estimation des efficacités
Liste des coupures qui définissent les lots de pions et d'électrons
Lots d'électrons :
EMEC 2 > 1GeVEMEC + HEC > 5 GeV
EMEC + HEC > Position du pic3HEC 0 > 2.5 GeV
Contaminations résiduelles ~ 0.1 %
Lot de pions :
EMEC 2 > 1 GeVEMEC + HEC > 5 GeV
EMEC + HEC > position du pic 3
Contaminations résiduelles ~ 0.5 %
Liste des coupures
muons
muons
A 10 GeV uniquement coupure sur les muons !
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 29
L'analyse discriminante : Description des différentes étapes
● Première étape : l'analyse séquentielle ➔ Appliquer des coupures pour maximiser l'efficacité➔ Sélectionner les variables les plus discriminantes➔ Calculer l'efficacité et le facteur de rejet pour chaque énergie
● Deuxième étape : la méthode du Fisher
➔ Fixer l'efficacité à celle utilisée pour l'analyse séquentielle et estimer le facteur de rejet➔ Fixer l'efficacité à 50 % et estimer le facteur de rejet
● Troisième étape : la méthode des Boosted Decision Trees
➔ Fixer l'efficacité à celle utilisée pour l'analyse séquentielle et estimer le facteur de rejet➔ Fixer l'efficacité à 50 % et estimer le facteur de rejet
30
Variables choisies pour l'analyse
Variables dans le HEC Variables dans l'EMECEhec/Etot Ehec0/Etot
Ecellhec0/Etot
Eemec2/Etot Moment r2
Efficacité =
Facteur de rejet =
Nombreélectrons sélectionnésNombre total d ' électrons
Nombre total de pionsNombre de pions identifiéscomme électrons
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 31
Justification de l'utilisation de méthodes d'analyses multivariées
L'analyse séquentielle n'exploite pas les corrélations entre les variables
Utilisation de méthodes qui tiennent compte des corrélations
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 32
Principe général des méthodes d'analyses discriminantes
✔ Un évènement est décrit par k variables (variables les plus discriminantes)
✔ Les évènements peuvent être classés en n classes :
H1 … H
n
✔ De manière générale, un classificateur peut avoir
jusqu'à n classes
✔ Dans le cadre de l'analyse présentée, il y a seulement 2 classes : Le signal et le bruit
✔ The Toolkit for Multivariate Analysis (TMVA) : maximiser la séparation entre signal et bruit
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 33
L'analyse discriminante de Fisher
Discriminant de Fisher
C1
C2
F
x1
x2
x
yFi i =F0∑1
N
ak xk
● Deux classes C1 et C2,
● Décrites par un nombre de variables : x1, x
2, … x
p
● Son objectif étant d'identifier la droite F telle que les
projections des deux classes soient aussi bien
séparées que possibles
Discriminant de Fisher : direction de l'espace qui rend le critère de Fisher maximal.
Le terme de décalage F0 centre la moyenne de l'échantillon y
F i sur tous les évènements
(NS + N
B) à zéro = taux maximal de mauvaise
identification« Poids » de la variable variable
34
L'analyse discriminante des Boosted Decision Trees
Un arbre de décision est une série de coupuresqui partagent l'échantillon en plus petits arbres : les feuilles sont affectées du statut S ou B
Croissance : Chaque échantillon essaie de maximiser le gain en séparation :
Boosting :
Supprimer les noeuds insignifiants
Création de deux lots d'évènements : entraînement et test
Augmenter le poids des évènements malidentifiés création d'un nouvel arbre de décision→
Classificateur final : « forêt » d'arbres de décision linéairement combinés
S,B
S1,B
1S
2,B
2
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 35
Résultats de l'analyse de discriminante (I)
Distributions de Fisher pour chaque énergie
Création d'un Fisher/BDT combinant toutes les énergies :
Récupération des coefficients obtenus à partir du Fisher/BDT moyen Reconstruction d'un Fisher/BDT énergie par énergie mais avec lescoefficients du Fisher/BDT moyen Calculs des facteurs de rejet, énergie par énergie, pour une efficacité donnée
Distributions des Boosted Decision Trees pour chaque énergie
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 36
Résultats de l'analyse discriminante (II)
Facteurs de rejet obtenus avec une efficacité fixée à celle de l'analyse séquentielle
Facteurs de rejet obtenus avec une efficacité fixée à 50 %
Facteurs de rejetlimités par les contaminations résiduelles
A haute énergie, peu de pions passent les coupures de sélection et sont identifiés à tort comme électrons.
37
Efficacité = analyse séquentielleEfficacité = 50%
L'analyse multivariables est clairement plus discriminante!
Pour une efficacité de 50%, on peut obtenir un facteur de rejet de plus de 100 avec la méthode de Fisher et de plus de 200 avec la méthode des BDTs.
Efficacités différentes pour chaque énergie!
13/09/2010 38
Comparaison avec les résultats précédents
Valeurs des efficacités en fixant le facteur de rejet à 10
Valeurs des efficacités en fixant le facteur de rejet à 100
Résultats comparables mais type de données utilisées différent (données TB/simu) → Contaminations qui influencent la valeur de l'efficacité
CERNTHESIS2007027
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 39
Les premières données
Données simulées à biaisminimum
655 836 évènements
Energie de collisions : 7TeV
Même software de reconstructionque pour les données
Format de données (D3PDs spécifiques) contenant les informations sur les cellules dont le dépôt est supérieur à 3 fois le bruit
Période : mars à mai 2010
Luminosité totale ~ 200 b1
40
Spectre en impulsion transverse pour les données simulées
Partie centrale (| |<2.5) Partie avant (| |>2.5)
Proportion d'électrons faible
Rapport entre taux de production d'électrons et d'autres particules
A bas Pt (< qques GeV) : rapport ~ 10A haut Pt (> 10 GeV) : rapport ~ 100
A bas Pt : rapport ~ 1A haut Pt : rapport ~ 100
Taux de rejet nécessairepour avoir autant de pions que d'électrons
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 41
Nature des particules mères
Provenance des particules « mères »
Partie avant Partie centrale
0
'
83.22 / 75.40
12.29 / 17.11
2.57 / 2.13
0.59 / 1.07
88.20 / 76.50
8.74 / 12.01
1.71 / 3.41
0.82 / 0.26
Utilisation de la vérité Monte Carlo
pT<2 GeVpT>5 GeV
Grande majorité des particules « mères » sont des 0 ou des résonances légères se désintégrant électromagnétiquement
Soutenance de Thèse Eve Chareyre 42
Comparaison données et données simulées
Spectre en impulsion transverse
Spectre des données comparable à celui des
données simulées
Les données réelles ont passéles conditions de déclenchement calorimétrique
Énergie totale du cluster > 40 GeV avec un cluster contenant plus d'une cellule
Préselection sur lesclusters pour les donnéessimulées et réelles
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 43
Bon accord entre simulation et données
Les variables discriminantes
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 44
Comparaison avec des données de pions et d'électrons purs
Coupure à appliquer pour avoir uneefficacité de détection des électronsde 50 % sur les données
Distributions de Fisher
Distributions des BDTs
Nbre e à 50 %
Nbre e à 80 %
289 409
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 45
CONCLUSION
L''étude des tests en faisceaux dans la région avant du calorimètre électromagnétique a permis :
● L'obtention d'un facteur de rejet de plus de 100 pour le Fisher● L'obtention d'un facteur de rejet de plus de 200 pour les BDTs
avec une efficacité d'identification des électrons de 50 %.
● L'application de ces méthodes au premières données du LHC
➢ Vérification accord simulation/données pour les 1ères données
● Augmentation statistique pour identifier les W et Z se désintégrant en leptons avec aumoins un des leptons dans la partie avant
Les études au niveau du générateur ont montré un apport significatif à exploiter les électrons à l'avant :
● De l'ordre de 50 % pour le Z ● De l'ordre de 30 % pour le W
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 46
Backup
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 47
Contaminations résiduelles dans électrons :
200 GeV 0.4 pour 1000
120 GeV 0.38 pour 1000
60 GeV 2.1 pour 1000
Contaminations résiduelles dans pions :
200 GeV 13 pour 1000
120 GeV 3 pour 1000
60 GeV 0.85 pour 1000
Contaminations résiduelles
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 48
Particularités de ce collisionneur
1232 dipôles8.4 T pour courberles protons
Température ~ 2K
12 millions de litres d'azote liquide + 700 000 litres d'héliumliquide
49
Lots d'électrons
Coupure à 5 GeV pour enlever les muons (déposent quelques GeV) pour toutes les énergies
Contaminations essentiellement en pions pour des données à 60, 120 et 200 GeV
Données d'électrons pursau delà du pic 3
Dépôt d'énergie dans le HEC+EMEC pour des données d'électrons à 200 GeV
Dépôt d'énergie dans le HEC0 pourdes données d'électrons à 60 GeV
Quelques pions de contaminations
Dépôt d'énergie dans l'EMEC 2Coupure à 1GeV
50
Lots de pions
Coupure à 5 GeV pour enlever les muons (déposent quelques GeV) pour toutes les énergies
Dépôt d 'énergie dans le HEC+EMECpour des données de pions à 120 GeV
Contaminations essentiellement en électronspour des données à 60, 120 et 200 GeV
Données de pions purs au delà du pic 3
Dépôt d'énergie dans l'EMEC 2Coupure à 1GeV
13/09/2010 Soutenance de Thèse Eve Chareyre 51
Nombres d'évènements après les coupures de sélection
Données d'électrons Données de pions
Exemple de mesure envisageable avec les Z
➔ Mesure asymétrie avantarrière dans les événements Z e→ + e
Lagrangien du modèle standard :
L = LY . M .
+ L M a t . + L
H i g g s
Dans le lagrangien de matière :
énergie cinétique des quarks + interaction du courant chargé + courant neutre
JNC=J
3−sin2W Jem
Isospin faible Courant électromagnétique
La partie « faible » viole la parité : on s'attend donc à une asymétrie dans la distribution angulaire des produits de désintégrations !
Précision statistique sur la détermination angle effectif mélange :
~1×10−4
y
z
x
x
y
R
54
Erreurs sur les facteurs de rejet et efficacités
Nb partNb select.
−⟨Nb part
Nb select.⟩
Hypothèse : origine purement statistique
Pour des pions :
=Nb select.
Nb part.
Distributions des écarts à la moyenne
Analyse qui n'exploite pas les corrélations entre les variables !
Utilisation de méthodes qui tiennent compte des corrélations
55
56
Section efficaces qui augmentent avecl'énergie dans le centre de masse.
Désintégrations en mode leptonique :
Interaction des électrons avec la matière
Energie perdue par un électron en fonction de son énergie lorsqu'il traverse du plomb
Section efficace des processus d'interactiondu photon avec le plomb
Gerbe électromagnétique :
Bremsstrahlung création de paires e+ e
Quand l'énergie décroît : Ionisation pour les e dans le
milieu absorbeur (plomb) Effet Compton et photoélectrique
pour les photons
Processus dominant à haute
énergie : perte d'énergie par
Bremsstrahlung (émission d'un photon)
58
Les sources de production des électronsVia le J/ª
Production via une paire de quarks lourds
Distribution en y sensible à l'augmentationd'énergie
900 GeV
1.2 TeV
7 TeV
top related