1

Le calorimètre électromagnétique d’ATLAS Recherche d’une nouvelle

physique au LHC

Remi Lafaye – LAPP IN2P3 CNRS – Université de Savoie

2

Pourquoi le LHC ?

Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP :

mh > 114.4 GeV @ 95% CL Exclusion Tevatron :

162< mh < 166 GeV @ 95% CL Limite supérieure théorique :

mh < 700 GeV (unitarité diffusion WW)

3

Pourquoi le LHC ?

Pour trouver le boson de Higgs Limite inférieure LEP :

mh > 114.4 GeV @ 95% CL Exclusion Tevatron :

162< mh < 166 GeV @ 95% CL Limite supérieure théorique :

mh < 700 GeV (unitarité diffusion WW)

@ 14 TeV

4

Pourquoi le LHC ?

Le programme du LHC : 2010 : 2*3.5 TeV, jusqu’à 105 pb-1 par mois,

total 0.2-0.5 fb-1

2011 : 2*3.5 TeV, ~ 100 pb-1 par mois, total ~ 1 fb-1

2012 : Consolidation 2013 : 2*6.5 TeV à 25% de la luminosité nominale 2014 : 2*7 TeV à 50% de la luminosité nominale

@ 14 TeV

5

Pourquoi le LHC ?

@ 14 TeV

Collisionneur hadronique Þ bruit de fond hadronique importantÞ signatures électromagnétiques

h, hZZ*4e, hWWeeÞ importance du calorimètre

électromagnétique !

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ATLAS

=-ln[tan(/2)]z

xy

44 m 25 m

7

ATLASDétecteurs de traces (champ solénoïde de 2 T)pT

/pT = 0.05% pT 1% pour ||<2.5

8

ATLASCalorimètres électromagnétiques et hadroniquese/ : E/E = 10%/E 0.7% pour ||<2.5jets : E/E = 50%/E 3% pour ||<3.2

9

ATLASSpectromètre à muons (champ toroïdale de 0.6 T)pT

/pT = 10% pT à 1 TeV pour ||<2.7

10

ATLASCalorimètres argon liquideCalorimètres électromagnétiques tonneau et bouchonsCalorimètre hadronique bouchonCalorimètre avant

Le calorimètre hadronique tonneau (les Tuiles) n’est pas « argon liquide »

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Le calorimètre électromagnétique tonneau

Calorimètre à échantillonnage argon liquide (milieu sensible) + plomb (absorbeur)

Géométrie accordéon avec segmentation latérale et en profondeur

Couverture jusqu’à ||<1.4 (4.9 pour le calorimètre avant)BackMiddleFront

PS = pré-échantillonneur

Tranche du calorimètre

électromagnétique tonneau

12

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3

Création de la collaboration RD3 début 1990

Naissance de l’accordéon Premier prototype en juillet 1990

Tests des premiers prototypes

13

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3

1998 Construction du module de présérie2001 Construction des modules de série

Tests signal et haute tension

Câblage Tests à chaud puis à froid

Présérie Construction des modules de série

Aujourd’hui en 2010 : 0 zones sans haute tension 0.02% de canaux morts sur

le détecteur

2009

Facteur de correction haute tension

Haute tension nominale

Haute tension inferieure

Haute tension sur un seul coté

Résolution sur l’énergie des électrons

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau

2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS

RD3

Tests en faisceau

Présérie Construction

14 Test combiné

Excellent accord données /Monte-Carlo

PS FRONT

BACKMIDDLE

Energie déposée selon la profondeur

Calorimètre seul2002

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3

Tests en faisceau

Présérie Construction

15 Test combiné

Résolution en énergie

(E)/E = 10.7±0.2 0.28±0.04 [%/E(GeV)] [%]

2004

1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau

2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS

PS FRONT

BACKMIDDLE

Energie déposée selon la profondeur

Excellent accord données /Monte-CarloÞ Correction de la matière en avant du

détecteurÞ Résolution comparable au détecteur seul

Calorimètre + matière morte

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3

Tests en faisceau

Présérie Construction

16 Test combiné

Résolution en énergie

2004

1999 et 2000 Deux tests en faisceau du module de présérie au CERN2001 et 2002 3 modules de série testés en faisceau

2004 Test en faisceau combinant plusieurs sous détecteurs d’ATLAS

Excellent accord données /Monte-CarloÞ Correction de la matière en avant du

détecteurÞ Résolution comparable au détecteur seul

TRT

LArTilecal

beam

Calorimètre + matière morte

(E)/E = 10.7±0.2 0.28±0.04 [%/E(GeV)] [%]

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3 Présérie Construction

Installation2003 Insertion dans le cryostat

2004 Descente dans le puits

17

2007 Electronique de traitement

192 cartes de traitement *8 DSP pour l’ensemble de l’argon liquide

170k canaux traités en < 10 s Energie reconstruite à ±0.3 MeV jusqu’à 8 GeV Temps reconstruit à ± 7 ps

(par rapport aux calculs hors ligne)(et ce dès le démarrage d’ATLAS)

18

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3 Présérie Construction Installation

Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre

électromagnétique !

Données cosmiques

2001-2002 tests faisceaux

0,44%

245.6 GeV18

Non-uniformité de la réponse du calorimètre

Module P13

2006-2007 muons cosmiques dans les calorimètres

<2%

19

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3 Présérie Construction Installation

Aout 2006 : Premier signal cosmique dans le calorimètre

électromagnétique !

Données cosmiques

2001-2002 tests faisceaux

0,44%

245.6 GeV19Module P13

2008-2009 muons cosmiques dans ATLAS

<1%

Non-uniformité de la réponse du calorimètre

20

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3 Présérie Construction InstallationLHC

10 septembre 2008 : Premier faisceau !23 novembre 2009 : Premières collisions !

Cosmiques

Performances en résolution, linéarité et uniformité du calorimètre seul connues

Très bon accord données/MC sur les formes de gerbes par compartiment

Description de la matière dans le MCÞ Performances du même niveau dans

ATLAS

0

21

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

RD3 Présérie Construction InstallationLHC

Energie manquante dans les collisions sur des données de biais minimum

Cosmiques

Le calorimètre électromagnétique est aussi un élément essentiel dans la reconstruction de l’énergie des jets et de l’énergie transverse manquante

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Pourquoi une nouvelle physique ?

La correction à la masse du Higgs est de l’ordre de l’échelle de coupure de la théorieProblème de hiérarchie du Modèle Standard

Or : mh ~ 100 GeV et au LHC, > TeV

Problème de la masse du Higgs dans le Modèle Standard

h

h h h

h

Solutions :1. Absorber divergences dans mh,0. Réglage fin (non naturel)2. Nouvelle théorie :

Nouvelles particules compensant les divergences. Ex : Supersymétrie

= 0

Corrections radiatives m :

23

La supersymétrie (SUSY)Supersymétrie = symétrie entre fermions et

bosons À chaque particule du Modèle Standard est

associée un partenaire supersymétrique identique, sauf spin ±1/2

u sup

c scharm

t stop

d sdown

s sstrange

b sbottom

sneutrino electron

stau

smuon

selectron

sneutrino tau

sneutrino muon

g gluinos

chargino

neutralino

neutralino

Bosons Fermions

Squarks

Sleptons

Electrow

eakS

trong

e

e

u up

c charm

t top

d down

s strange

b bottom

e neutrino electron

tau

muon

electron

neutrino

tau

neutrino

muon

g gluons

W boson W

Z boson

Z

photon

hHiggs

Fermions Bosons

Quarks

Leptons

Electrow

eakS

tronge Motivations théoriques

La masse du Higgs est stabilisée en évitant un réglage fin

Unification possible des constantes de couplage à grande échelle

Particules supersymétriques Non encore observées Masses différentes des

particules du Modèle Standard

La supersymétrie est donc brisée.

Mais m(SUSY) < 1 TeV pour pouvoir compenser les divergences

H±Higgs

AHiggs

HHiggs

Modèle StandardModèle Standard Supersymétrique Minimal

2 doublets de Higgs

chargino

neutralino

neutralino

Þ SUSY Visible au LHC !

24

Les modèles supersymétriquesMSSM = Modèle Standard Supersymétrique

Minimal Le MSSM contraint (CMSSM)

Hypothèses d’unification à grande échelle (GUT)

Supersymétrie brisée Exemple : couplage gravitationnel, mSUGRA

5 paramètres : m0, m1/2, A0, tan et signe de

Le MSSM phénoménologique Pas d’a priori sur le comportement à

grande échelle 105 paramètres… + ceux du MS

Réductible à ~20 (sans CP, FCNC, …)

m0 : masse unifiée des scalairesm1/2 : masse unifiée des gauginos

A0 : couplage trilinéaire unifiétan : rapport des vav des 2 doublets de Higgs

: paramètre de masse des higgsinos

TeV GUT

équations d’évolution

25

Découvrir la supersymétrie au LHC Création de paires squarks, gluinos Désintégrations en cascades jusqu’à

la LSP (Particule SUSY la plus légère stable)

lqql

g~ q~ l~20~ 10

~p p

Signature expérimentale remarquable :

jets + ET + (leptons)

Productions de particules SUSY au LHC ~ 1 pbÞ découverte possible au LHC à partir

d’1 fb-1

m0=100 m1/2=300 A0=-300 tan=6 sgn>0

@ 14 TeV

26

Observables supersymétriques au LHC

À partir des cascades reconstructions de seuils cinématiques en fonction des masses

lqql

g~ q~ l~20~ 10

~p p

2~

2~

2~

2~

2~

max01

02 RRR lχllχll mmmmmm = (80.94 ± 0.042 ± 0.08) GeV

e+e-, +-

e+-, +e-

Un point de référence : SPS1a

01

02

~ ~ ~ ~ lqlllqqq RL

m0=100, m1/2=250, A0=-100, tan=10, sgn>0

SPS1a : un point mSUGRA de référence, étudié depuis 9 ans

Mesure principale, seuil di-leptonique :

Sélection de 15 observables au LHC pour 300 fb-1 @ 14 TeV

LES : incertitude sur l’échelle d’énergie des leptons (0.1%)

JES: incertitude sur l’échelle d’énergie des jets (~1%)

Déterminer le modèle sous-jacent Þ SFitter

28

Mesurer la supersymétrie : SFitterSFitter : Les Houches 2003, R. Lafaye, T. Plehn, M. Rauch, D. Zerwas

Observables Prédictions

Modèle théoriqueSUSPECT, SUSYHIT,

micrOMEGAs,…spectre de masse, BR

SUSY+Higgs, densité relique, …

Liste des maximums de vraisemblance

Carte de vraisemblance en fonction des paramètres du

modèle et des prédictions des

observables

Calcul de vraisemblance en fonction des paramètres du modèle

Balayage de l’espace des paramètres Chaines de Markov +

MINUIT Traitement des incertitudes

Schéma RFit (à la CKMfitter)

Résultats Techniques

29

Les chaînes de MarkovModèles théoriques de plus de 20

paramètres Balayage de type grille très inefficace

dépend de (nombre de pas)nombre de paramètres

Méthodes de type Monte Carlo préférablesdépend de la complexité du potentiel

Chaines de Markov : Le point n+1 dépend de la valeur des

potentiel (~1/vraisemblance) Vn+1 et Vn

La densité de points testés est fonction de V

A priori indépendant du nombre de paramètres

Exemple de résultats : Liste ordonnée des minimums de V

valeur du paramètre

V

Carte du minimum de V (sur tous les paramètres-2) en fonction de 2 paramètres

1

6 523456

4

3

2

1

V: potentiel ~ 1/vraisemblancePoint candidat n+1 choisit si : soit Vn+1<Vn soit probabilité pour Vn+1>Vn :

30

Traitement des incertitudesRFit : A. Höcker, H. Lacker, S. Laplace, F. Lediberder

Incertitudes théoriques = aucune information dans la zone théorique permise

distribution plate et de limites finies «  Une erreur théorique ne peut pas être arbitrairement grande si la

théorie est perturbative ! »

En dehors de la zone prédite la vraisemblance est décrite par les incertitudes expérimentales

L max

xexp-xthxexp-xth

L max

Incertitude expérimentale seule avec incertitude théorique

zone

pré

dite

31

Extraction des paramètres SPS1a pour le CMSSM

SPS1a Δexpseuils

Δexp+th seuils

m0 100 0.5 2.2m1/2 250 0.7 2.6tanβ 10 0.7 2.5A0 -100 21 50Sign(μ) fixed

Ajustement avec MINUIT autour du maximum principal

Carte du maximum de vraisemblance en m0, m1/2

Liste des maximums de vraisemblance

LHC 300fb-1 @ 14 TeV

Bonne détermination des paramètres,mais : hypothèse d’unification

à une échelle non explorée !

32

Extraction des paramètres du MSSM au TeV

Espace de 19 paramètresÞ 16 solutions de vraisemblance équivalente

Solutions permutées en M1, M2, M3 et (paramètres de masse des gauginos et higgsinos)

Peu de sensibilité sur tan

2tan = 4.5 (exp+th)

L max

Carte du maximum de vraisemblance en M1, M2

33

MSSM : depuis le TeV jusqu’à 1018 eV

Départ : paramètres déterminés à l’échelle du TeV Equations d’évolution à plus haute

énergie J.L. Kneur + SFitter Largeur des bandes = incertitudes Solution 1 compatible avec

unification Autres solutions : pas d’unification«  SPS1a »

Inversion M1, M2 Hiérarchie correcte au TeV !

1/M

1/M

M1 : binos, M2 : winos, M3 : gluinos

équations d’évolution

34

SUSY au LHC, mais pas seulement(Alexander, Kreiss, Lafaye, Plehn, Rauch, Zerwas; Les Houches 2007, Physics at TeV Colliders)

Moment magnétique anomal du muonAnomalie mesurée par E821 (BNL) :

Prédiction du Modèle Standard :

Plus de 2 d’écart (selon les prédictions)

Si SUSY est découverte au LHC :

La déviation de g-2 est elle compatible ?

g-2 tan et sign Ajustement global E821 +

LHCtan = 2.0 au lieu de 4.5

35

LHC 300 fb-1 (SFitter)

New g-2

2

1

Hawaii Octobre 2009 : «  The New Muon (g-2) Experiment at Fermilab » Dinko Pocanic

Old g-2

SUSY au LHC et au FNAL aussi…

Avec le soutien de SFitter…