National audienceLe détecteur ATLAS enregistre des millions de collisions de protons produites par le LHC (Large Hadron Collider), au CERN à Genève. Le calorimètre hadronique d'ATLAS participe à la mesure de l'énergie des particules produites par les collisions. Pour connaitre la relation entre la réponse du détecteur et l'énergie déposée par les particules, on étalonne celui-ci grâce à un système LASER. Lors de ces collisions, de nombreuses particules sont produites, dont des quarks top. Ces quarks top permettent de tester la validité du Modèle Standard de la physique des particules, via par exemple la mesure de section efficace de production de paires de top-antitop, ou bien la recherche de processus de Nouvelle Physique impliquant le quark top, par exemple la recherche de paires de quarks top de même signe

Dubreuil, E.

HAL-IN2P3

Recherche de quarks top de meˆme signe aupre`s dude´tecteur ATLASE. DubreuilTo cite this version:E. Dubreuil. Recherche de quarks top de meˆme signe aupre`s du de´tecteur ATLAS. Journe´esJeunes Chercheurs 2012, Dec 2012, Munster, France. 8 p., 2013. <in2p3-00790204>HAL Id: in2p3-00790204http://hal.in2p3.fr/in2p3-00790204Submitted on 19 Feb 2013HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. 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Le calorimètre hadro-nique d’ATLAS participe à la mesure de l’énergie desparticules produites par les collisions. Pour connaitrela relation entre la réponse du détecteur et l’énergiedéposée par les particules, on étalonne celui-ci grâceà un système LASER. Lors de ces collisions, de nom-breuses particules sont produites, dont des quarks top.Ces quarks top permettent de tester la validité du Mo-dèle Standard de la physique des particules, via parexemple la mesure de section efficace de production depaires de top-antitop, ou bien la recherche de proces-sus de Nouvelle Physique impliquant le quark top, parexemple la recherche de paires de quarks top de mêmesigne.1.1 IntroductionLes briques élémentaires de la matière ainsi que leursinteractions sont décrites par le Modèle Standard dela physique des particules. Ainsi, on dénombre 6 lep-tons et 6 quarks pour les composants élémentaires dela matière et 5 bosons qui permettent la médiation desforces fondamentales (exceptée la gravitation). S’ajouteà cela le boson de Higgs qui donne une masse aux par-ticules. Pour tester ce modèle, on utilise des collisionsde protons grâce à des accélérateurs, qui vont créer descentaines de particules. Afin d’étudier le résultat de cescollisions, des détecteurs sont contruits autour du pointd’interaction.1.2 Contexte expérimental1.2.1 Le LHC et le détecteur ATLASLe LHC (Large Hadron Collider) est un accélérateurde particules situé au CERN à Genève. Il mesure 27 kmde circonférence. Il est composé de deux anneaux oùcirculent des faisceaux de protons. Le LHC fonctionneavec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV(7 TeV en 2011). Sur cet anneau sont placés quatredétecteurs : ALICE, ATLAS, CMS et LHCb.Le détecteur ATLAS [1] est le plus grand détecteurinstallé auprès du LHC. Il mesure 44 m de long, 25 m dediamètre pour une masse de 7500 tonnes. Il est composéde 3 parties :– les détecteurs internes, permettant la mesure despropriétés des particules chargées,– les calorimètres, permettant de mesurer l’énergiedes particules,– les chambres à muons qui permettent de mesurerles propriétés des muons.La partie calorimétrique se décompose en 2 parties : lecalorimètre électromagnétique et le calorimètre hadro-nique.1.2.2 L’étalonnage du calorimètre ha-dronique d’ATLASLe calorimètre hadronique [2] permet de mesurerl’énergie des hadrons comme les protons ou les pionschargés. Il est composé d’une succession de plaques defer et de tuiles scintillantes reliées à des canaux (pho-tomultiplicateurs + électronique associée).Figure 1.1 – Schéma du système de calibration ducalorimètre hadronique d’ATLASLa figure 1.1 montre le fonctionnement de la chainecomplète de mesure du calorimètre hadronique. Au pas-sage d’une particule chargée, les tuiles scintillantes vontémettre de la lumière qui va être envoyée sur des photo-multiplicateurs. Ces photomultiplicateurs vont conver-tir la lumière reçue en signal électrique qui sera ana-lysé par l’électronique. Pour connaître la relation entreréponse du détecteur et énergie déposée, on étalonnecelui-ci.Le gain d’un canal est défini comme le rapport entresa réponse numérisée sur l’énergie déposée dans le ca-lorimètre.Le calorimètre hadronique d’ATLAS est étalonné partrois systèmes différents : le système Cesium pour unecalibration complète de toute la chaine, cette calibra-tion est lente et n’est faite qu’une fois par mois. LeLASER calibre les photomultiplicateurs et leur électro-nique associée (canaux) tandis qu’un système d’injec-56 Au-delà du Modèle Standardtion de charge calibre l’électronique uniquement. Lescanaux reoivent des pulses de lumière envoyés par lesystème LASER puis les variations de gain sont mesu-rées et analysées.Le but de cette analyse est de corriger les canauxdont le gain dérive. Des prises de données avec le sys-tème LASER sont effectuées deux fois par semaine. Unfacteur correctif (ou constante de calibration) est cal-culé pour chaque canal en tenant compte de la précisionet des variations de lumière propres au dispositif. Pourdéterminer cette précision et valider ces constantes decalibration, des comparaisons entre les différents sys-tèmes sont faites.Figure 1.2 – Variation moyenne du gain des canaux,cellule par cellule, du calorimètre hadronique d’ATLASLes canaux sont regroupés par cellule (en moyenne2 canaux par cellule). La figure 1.2 montre un quartdu calorimètre hadronique d’ATLAS en coupe longitu-dinale. Pour chaque cellule, la variation moyenne descanaux liés à cette cellule est calculée et affichée. Uneéchelle de couleur montre la variation. L’ordre de gran-deur des corrections est de quelques pourcents sur unepériode d’un mois. Ainsi, les 10000 canaux du calori-mètre hadronique d’ATLAS sont étalonnés avec le sys-tème LASER avec une précision de l’ordre de 0.5 %.Un biais de 10 % sur la calibration se traduirait, parexemple, par un biais de 1 % sur l’énergie d’un électronprovenant de la désintégration d’un boson Z.Sur l’ensemble de l’année 2012, 10 % des canaux ducalorimètre hadronique ont nécessité une correction.1.3 Mesure de la section efficacede production de paires tt¯1.3.1 Le quark top dans le ModèleStandardLe quark top a été découvert en 1995 au Tevatron.La théorie prédit qu’il est de spin 12et de charge + 23.Il est la particule élémentaire la plus lourde, sa masseétant de l’ordre de 173.5 GeV. Ce qui le différencie desautres quarks est qu’il se désintègre avant de s’hadro-niser puisque son temps de vie est inférieur au tempsd’hadronisation. Le quark top se désintègre à près de100 % en un quark b et un boson W : t→W+b.Etudier le quark top permet d’abord de tester le Mo-dèle Standard en effectuant des mesures de précisionsur les paramètres prédits par ce modèle comme parexemple, la section efficace de production de paires top-antitop. L’intérêt du quark top se justifie aussi dans larecherche de Nouvelle Physique où le top sera soit unbruit de fond dominant, soit une signature. Une analysemontrant la recherche de processus avec une paire dequarks top de même signe dans l’état final sera montréedans la Section 1.4.Le boson W peut se désintégrer soit de manière lep-tonique (un lepton et un neutrino), soit de manière ha-dronique (deux quarks). On distingue alors trois canauxde désintégration pour les paires tt¯, classés en fonctiondu nombre de leptons dans l’état final :– le canal dileptonique : les deux bosons W se désin-tègrent de manière leptonique. Ce canal représente11 % des désintégrations des paires tt¯. Sa signatureparticulière fait qu’il y a peu de bruit de fond maisla reconstruction est complexe dû à la présence desdeux neutrinos.– le canal semi-leptonique : l’un des bosons W se dés-intègre en quarks et l’autre en lepton et neutrino.Ce canal représente 44 % des désintégrations despaires tt¯. Sa signature caractéristique rend la sé-lection des événements pure. De plus, la difficultéd’appariement des jets est faible.– le canal tout hadronique : les deux bosons se dés-intègrent de manière hadronique. Ce canal repré-sente 45 % des désintégrations des paires tt¯. Ce-pendant, discriminer cette signature du bruit defond multijets est extrêmement difficile. De plus,l’appariement des jets est compliqué et rend la re-construction des événements difficile.Malgré la difficulté d’étudier le canal tout hadro-nique, il a été choisi car il est complémentaire auxautres canaux de désintégration et bénéficie d’un grandrapport d’embranchement permettant d’avoir un grandnombre d’événements.Pour sélectionner les événements du canal tout ha-dronique en éliminant le plus de bruit de fond, on utiliseles propriétés de notre signal. On va donc demander àavoir au moins 6 jets, dont 2 jets proviennent de quarksb. De plus, ces jets devront être assez énergétiques puis-qu’ils proviennent d’un quark top. Enfin, l’événementne devra avoir ni lepton, ni énergie manquante due àEmmanuelle Dubreuil 7des neutrinos.1.3.2 Estimation du bruit de fond mul-tijetsLa section efficace de production des événementsmultijets est de l’ordre de 106 pb alors que la sectionefficace de production des paires tt¯ dans le canal touthadronique prédite est de 75 pb. Le bruit de fond mul-tijets est donc largement dominant, même après sélec-tion. Cependant, l’incertitude sur sa section efficace estimportante, on utilise alors les données pour estimer lenombre d’événements multijets. Pour cela, on utilise laméthode ABCD.Figure 1.3 – Schéma illustrant la méthode ABCDSoit deux variables disciminantes v1 et v2 utiliséeslors de la sélection des événements. On divise le planv1v2 en quatre zones A, B, C et D définies par les cou-pures sur v1 et v2 (voir Figure 1.3). Si v1 et v2 sontdécorrélées, alors la distribution de v2 aura la mêmeforme quelque soit le sous-ensemble défini par v1. Alorsla distribution des événements dans le plan vérifie larelation :(ND−nD−ǫtt¯DσL) =(NB − nB − ǫtt¯BσL)(NC − nC − ǫtt¯CσL)(NA − nA − ǫtt¯AσL)(1.1)où NA, NB , NC et ND sont respectivement lesnombres d’événements observés dans les zones A, B, Cet D. D sera la zone enrichie en signal. nA, nB , nCet nDreprésentent respectivement la contamination (bruitsde fond autres que multijets) dans les zones A, B, Cet D. Ils sont déterminés à partir de la simulation. Lesǫtt¯ sont les efficacités de sélection du signal dans cha-cune des zones (déterminés à partir de la simulation),σ est la section efficace que l’on cherche à mesurer et Lest la luminosité.Dans le cas de cette analyse, v1 est la centralité, unevariable topologique caractérisant le caractère frontalde la collision. v2 est une variable logique : elle est égaleà 1 si le nombre de jets de b est supérieure à 2 et ladistance 1 entre ces deux jets de b est plus grande que1, sinon cette variable logique est égale à 0.On peut mesurer la section efficace totale de produc-tion des paires tt¯. La section efficace est définie par la1. La distance est définie comme ∆R =√(∆η)2 + (∆φ)2, oùη est la pseudo-rapidité et φ est l’angle azimutal.solution d’une équation du second degré :σ =−b±√∆2a(1.2)où a = L2(ǫtt¯Dǫtt¯A−ǫtt¯Bǫtt¯C), b = ǫtt¯B(NC−nC)+ǫtt¯C(NB−nB)−ǫtt¯D(NA−nA)−ǫtt¯A(ND−nD), c = (ND−nD)(NA−nA)− (NB − nB)(NC − nC)Le résultat obtenu est : σ = 167 ± 18 (stat.) ± 78(syst.) ± 6 (lumi.) pbTous les effets systématiques affectant cette mesureont été considérés, le plus important étant l’efficacitéd’étiquetage d’un jet provenant qu’un quark b. Ce ré-sultat est compatible avec la valeur prédite par le Mo-dèle Standard (164 pb). Cette valeur a été obtenue avecles premières données enregistrées en 2011 [3], corres-pondant à une luminosité de 1.02 fb−1.1.4 Recherche de processus avecune paire de top de mêmesigne1.4.1 Propriétés du signalAvec le quark top, on peut tester les prédictions duModèle Standard mais aussi rechercher d’autres phé-nomènes. La production de paires de top de mêmesigne est supprimée dans le Modèle Standard maisd’autres théories prédisent ce processus. Dans le cadrede notre étude, on considère seulement la productionde paires de quarks top de même signe par interactionde contact, en prenant en compte uniquement le ver-tex uu→ tt. Les quarks top se désintègrent de manièreleptonique pour avoir une signature claire. L’état fi-nal est donc composé de deux leptons de même signe(e+e+, e+µ+, µ+µ+), 2 neutrinos (de l’énergie trans-verse manquante notée MET) et 2 jets provenant dequarks b.1.4.2 Données et simulation MCLe signal a été généré à partir d’un modèle phéno-ménologique, avec hadronisation et cascade partonique.Trois configurations de chiralité existent : LL, LR etRR. Les sections efficaces de production pour le signal(pondérées par le rapport d’embranchement) sont :– LL : 1.77 pb– LR : 0.22 pb– RR : 1.77 pbDifférents processus peuvent mimer l’état final denotre signal. Ces processus peuvent être classés en deuxcatégories :– les bruits de fond estimés par simulation :WZ/ZZ+jets, W±W±+2jets, tt¯W(+jet),tt¯Z(+jet), tt¯WW– les bruits de fond estimés avec les données : fakes(électron pris pour un jet ou vice versa) et misid(mauvaise identification de la charge des leptons)8 Au-delà du Modèle StandardLes données utilisées pour cette analyse sont les don-nées enregistrées en 2011, ce qui représente une lumi-nosité intégrée de 4.7 fb−1.1.4.3 Sélection des événementsLa sélection permet de distinguer le signal recherchédes bruits de fond. Pour cela, on va se servir des pro-priétés de notre signal. Les critères de sélection utiliséspour cette analyse sont :– 2 leptons de même charge car l’état final du signalcontient 2 tops de même signe– 2 jets, dont au moins 1 jet de b car l’état final denotre signal contient 2 jets de b– Z-veto car il n’y a pas de Z dans notre état final– MET > 40 GeV car 2 neutrinos sont produits– HT > 550 GeV car 2 tops sont produits 2– 2 leptons positifs car 2 tops sont produitsLa fraction d’événements qui passent cette sélectionest de l’ordre du pourcent.1.4.4 RésultatLes nombres d’événements attendus et observés aprèssélection pour le signal, les bruits de fond et les donnéessont résumés dans le tableau 1.1 :ee eµ µµBdF total 0.63 ± 0.59 1.49 ± 0.55 0.84 ± 0.21Signal LL 39.53 ± 2.70 117.88 ± 4.80 94.96 ± 4.18Signal LR 4.31 ± 0.30 13.19 ± 0.53 9.39 ± 0.46Signal RR 30.61 ± 2.23 97.68 ± 4.08 65.88 ± 3.44Observés 0 2 0Table 1.1 – Nombre d’événements attendus et observésaprès sélectionOn n’observe aucun excès dans les données. La sec-tion efficace du signal est trop faible pour qu’il soitvu. On pose donc une limite avec une probabilité de95 %. Les résultats présentés dans le tableau 1.2 sontles limites supérieures à 95 % de degré de confiance surla section efficace de production des paires de top demême signe pour chaque configuration de chiralité.Attendue ObservéeLL 0.35 pb 0.26 pbLR 0.41 pb 0.30 pbRR 0.45 pb 0.35 pbTable 1.2 – Limites observées et attendues pour notresignal1.5 ConclusionATLAS est un ensemble de détecteurs installé auprèsdu LHC. Son calorimètre hadronique joue un rôle im-portant dans la mesure de l’énergie des jets. Le système2. HT est défini comme la somme scalaire des impulsionstransverses de tous les objets de l’événementLASER permet de suivre l’évolution des 10 000 canauxde ce calorimètre. Une procédure a été mise en placepour produire et appliquer les constantes de calibra-tion. La précision du système LASER est de l’ordre de0.5 %.Le quark top a un rôle privilégié dans le Modèle Stan-dard de part sa grande masse. Il permet de faire des me-sures de précision pour tester la théorie ou de chercherde nouveaux phénomènes.Dans le cadre de mesures de précision dans le ModèleStandard, la section efficace de production de pairestt¯ dans le canal tout hadronique a été mesurée et estcompatible avec la valeur prédite.Dans le cadre de la recherche de nouvelles signaturesexotiques, une étude est menée sur la production depaires de top de même signe. Une limite a été misesur la section efficace de production avec les donnéesde 2011. Les données de 2012 permettront d’améliorercette limite ou de voir un signal dans les données.Références[1] ATLAS Collaboration. The ATLAS Expe-riment at the CERN Large Hadron Collider.JINSTS08003(3)2008.[2] ATLAS Collaboration. ATLAS Tile Calorime-ter Technical Design Report. CERN-LHCC-96-421996.[3] ATLAS Collaboration. Measurement of tt¯ produc-tion in the all-hadronic channel in 1.02 fb−1 of ppcollisions at√s=7 TeV with the ATLAS detector.ATLAS-CONF-2011-1402011

Recherche de quarks top de même signe auprès du détecteur ATLAS

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