Mise en œuvre du calorimètre électromagnétique d’ATLAS et

recherche de nouvelle physique

Pierre-Simon MANGEARD

15 juin 2007

Directeur de thèse : Sylvain Tisserant/Fabrice Hubaut

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Nouvelle physique au LHC

• LHC : Ouverture de l’espace des phases

• Utiliser les électrons comme sondes pour la nouvelle physique.

Tevatron 95% C.L.

Maîtrise du calorimètre électromagnétique essentielle

ProcessusTevatron 1987

(0.07pb-1)Tevatron 2009

(8fb-1)LHC 2009

(1fb-1)

Z’ 1TeV << 1 evt < 10 evts 10000 evts

3

=0 =1.4

=3.2

=4.9

Le Calorimètre électromagnétique d’ATLAS

Calorimètre électromagnétique :Grande couverture angulaire ||<4.9

1999-2002 : Tests faisceaux 2001-2004 : ConstructionDepuis 2004 : Installation et mise en route dans la caverne

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Dans la caverne

Tonneau

Bouchons

Diamètre : 4.5m -- Longueur 13m

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Le Calorimètre Electromagnétique

• Géométrie en accordéon- herméticité azimuthale quasi-parfaite

• Grande granularité via une segmentation

longitudinale et transverse

• Calorimètre à échantillonnage plomb / argon liquide (90K)

PS pertes en amont

S1 0.0030.1 mesures de position

S2 0.0250.025 dépôt d’énergie principal

S3 0.050.025 queues de haute énergie

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La préparation au démarrage

• Les atouts– Le calo EM est l’un des sous-détecteurs les plus

testés sous faisceaux– Cette expertise est présente au CPPM

• Les Challenges– 175000 canaux – Mettre en place la procédure de calibration et de

reconstruction du signal

Fonctionnement in situ avec les muons cosmiques

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Prises de données

1 2

3 4

A

B

)41(

Z

Août 2006 (13k evts)

• LAr HV = 2000 V

Octobre 2006 (78k evts)• LAr HV = 1600 V

• Pas HV dans I14

• Runs combinés CaloEM/Had (pas de chambres à muons)

• Le déclenchement est réalisé à l’aide du calo Had.

• Calo en cours d’installation : seulement quelques modules disponibles avec l’électronique finale

Acceptance augmentée 2007

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A quoi ressemble un muon cosmique?

Calo. Had.

Calo. EM

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17 MeV

f(x)=p0 + p2*exp(p1*N)

La réduction du bruit est INDISPENSABLE

L’utilisation d’un plus grand nombre d’échantillons dans la reconstruction permet de diminuer le bruit.

signal de physique

signal mis en forme et échantillonné

Un muon projectif dépose très peu d’énergie : 200-300 MeV Faible S/B

N échantillons

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Reconstruction de l’énergie des muons

Création d’amas de cellules de S2 avec un seuil haut (bas) à au moins 5 (3) au dessus du bruit.

La réduction du bruit à 17 MeV Les seuils : 100 et 50 MeV Bonnes pureté et efficacité

Muons projectifs :– 2 cellules contiguës en phi (du à la

géométrie en accordéon) (Amas 1)

Les muons cosmiques ne sont pas projectifs : – cellules contiguës en phi et/ou en eta

(Amas2)

Energie déposée en MeV dans les cellules de S2

12 62 35 10 17 42

67 187 20 5 19 14

53 8 14 17 25 16

19 15 12 45 90 32

11 14 18 16 202 13

19 13 17 10 25 19

12 62 35 10 17 42

67 187 20 5 19 14

53 8 14 17 25 16

19 15 12 45 90 32

11 14 18 16 202 13

19 13 17 10 25 19

12 62 35 10 17 42

67 187 20 5 19 14

53 8 14 17 25 16

19 15 12 45 90 32

11 14 18 16 202 13

19 13 17 10 25 19

12 62 35 10 17 42

67 187 20 5 19 14

53 8 14 17 25 16

19 15 12 45 90 32

11 14 18 16 202 13

19 13 17 10 25 19

Amas 1

Amas 2

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LES MUONSA partir de 91000 evts :

2006 : 6% du tonneau sont scannés

~25000 candidats muons

Nombre d’amas par cellule de S2

L’information du calo. had. est utilisée comme référence afin d’estimer les caractéristiques du lot de muons

• Pureté :Je compare les candidats muons avec la trace reconstruite dans le calo. had. :

AvectileLAr et tileLAr

Sans coupure P=96% Avec coupure P~100% (=98%)

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Cellules mortes

HAUT BAS

Dans la région avec assez de stat. : une cellule morte dans S2

Impulsion de calibration : 0.02% de cellules mortes

Premiers signaux de physique in situ

Nombre d’amas par cellule de S2

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L’uniformité du calorimètre EM (1)

• Projectivité :

– Soit (X0,Z0) l’intersection entre la trace reconstruite à l’aide du calo. Had. et le plan horizontal à Y=0.

– Coupure en projectivité :

(|X0|,|Z0|)<(30cm,30cm)

L’énergie déposée par le muon est proportionnelle à la distance traversée

Électrode du tonneau=0.8

=0

Sélectionner les muons projectifs est nécessaire

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L’uniformité du calorimètre EM (2)

ηNor

mal

ized

M

PV

(|X0|,|Z0|) < 30x30 cm²

~9200 dépôts projectifs

TOP BOTTOM

S2 cell depthdata

normalized to 1

Vérifiée < à 1% en test faisceaux

Première vérification in situ à 4%

Besoin en moyenne de 16 fois plus de statistique pour vérifier la non-uniformité à 1%

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Conclusions - Perspectives• Ma thèse a pour objectif d’utiliser au mieux les premières collisions du LHC au sein de l’expérience ATLAS (été 2008)

• Dans ce cadre, je participe à la mise en œuvre du calorimètre électromagnétique via l’étude des données de muons cosmiques prises à l’automne 2006 (note interne ATLAS en cours d’écriture)

• Celle-ci a permis :

La mise en place d’outils de reconstruction

La réduction du bruit par un facteur 3

La recherche de cellules mortes (indication d’une cellule dans S2)

Première vérification in situ à 4% de l’uniformité

• Sensibilité rapide à la nouvelle physique :

Sonder ce nouvel espace des phases dès le démarrage via les électrons

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Evénement Z’e+e-

~560 GeV

~410 GeV

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SPARE

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(Situation dans la caverne à l’automne 2006)

La partie centrale :

• Trajectographe interne sauf pixels

• Aimants solenoïde et toroïdes

• Calo. Hadronique

• Calo. EM : refroidi et rempli

• Chambres à muons en pleine installation

Les bouchons :

• Calo Hadronique

• Calo. EM : chaud

• La 1ère grande roue des chambres à muons en installation

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Purity of the sample (1)• All clusters are not necessarily due to muons

• Tile calorimeter information can be used to estimate the purity.

dedicated cosmic reconstruction algorithm to find a muon track: TileMuonFitter (Jose Maneira)

(Xo,Zo)Y=0

4m

- 4m

η=0.8

η cell center

η=0 η=0.4

– Cell energy threshold : 100 MeV

– TileCells in top AND bottom: long lever arm

– Fit track that minimizes sum of orthogonal distances to cells weighted by energy density

– Track crosses horizontal plane at (Xo,Zo)

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Purity of the sample (2)

• We define : tileLArand tileLAr

TILE/LAR MATCHING

Signal Region: (||,||)<(0.11,0.11)

Noise region : (||,||)>(0.2,0.2)

• Centered around zero : Well aligned

• Resolution dominated by tile granularity

Purity = (Nclus -Nnoise*)/Nclus

* Number normalized at the signal region surface

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Signal Region

Purity of the sample (3)

• If no matching with tile :

P=96%

• Matching with tile :

Purity close to 100% in signal region

Selection decreases the efficiency from 23% to 19%

Can extract a very pure muon sample

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Projectivity of the sample (1)• Due to setup : muons are not projective

• To estimate projectivity of muons, (X0,Z0) from tile track is used

• Can see the tile granularity in phi

• All muons are in +/- 1m around the interaction point

(Xo,Zo)Y=0

4m

- 4m

η=0.8

η cell center

η=0 η=0.4

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Projectivity of the sample (2)In order to estimate (X0,Z0) precision :

• Use events with 2 LAr matching clusters (top & bottom) : ~3k evts

• Extrapolate a « LAr crosspoint » at Y=0.

• Define X0 = X0tile-X0LAr and Z0=Z0tile-Z0LAr

Distribution centered around zero : good alignement

Precision of 5-6 cm

Can extract a projective muon sample

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Detect dead cells in S1

Map of Noise1. Homogen noise over whole

module : ~7.5 MeV

2. Cut at 4σ on the pointed S1 cells

3. Expect only 3 hits from noise over the 11k events

• S/N in S1 less favorable Use all muons (11200) reconstructed in S2 cells

Look at energy in the 8 S1 cells in front of the muon cluster

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We do see muons in S1 over almost the whole module (<0.8)

η

Most populated region

Detect dead cells in S1 (2) Entries per S1 cell

In most populated region (30%), can even infer 1 (and only one) dead strip, not seen in calibration…

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Map of Noise E(MeV) Entries per S3 cell

• ~13.3 MeV at η≤0.5

• ~14.3 MeV at η>0.5

• as expected from geometry

Preliminary: large dispersion still to be understood

Not enough stat. to detect dead S3 cells

η Φ

Detect dead cells in S3 • Harder in S3 because lower S/N