Aspects de la physique hadronique:

1
Aspects de la physique hadronique
de la structure du proton au quark top en
passant par les calorimètres
2
Curriculum Scientifique
1991-1993 thèse de doctorat, Université Paris
VI 1993-1994 mesure de F2 sur les données
1993 1994-1995 qualification du
SpaCal 1994-1996 mesure de F2 sur les données
1994 1996-1997 mesure de F2 à bas Q2, données
1995 1997-1999 mesure des sections efficaces à
grand Q2, données 94-97 1998 adhésion à
la collaboration DØ 1999-2000 installation du
système de calibration en-ligne 2001-2002
co-responsable de la qualification du
calorimètre 2002-2003 co-responsable du groupe
"identification des électrons" 2003-2004
co-responsable de l'ensemble "algorithmes
calorimétriques" 2001-2003 membre de l'"Advisory
Council" de DØ 2001-2004 membre du Conseil
Scientifique du LPNHE 2003-2005 membre du comité
d'évaluation CVI de lINFN 1996-2000 responsable
des "réunions du vendredi" du LPNHE
1999 co-ordinatrice de la session "fonctions de
structure" à DIS99 ? 1999 co-responsable
du groupe DØ du LPNHE 2000
co-organisatrice des "Journées Jeunes Chercheurs
2000" 2003 organisatrice de la Biennale
2003 du LPNHE
H1
DØ
comités
autres
3
Encadrements stages et thèses
4
Plan de lexposé

• Motivations
• ingrédients pour la physique au collisionneurs
  hadroniques
• La calorimétrie de DØ
• qualification du calorimètre
• calibration en-ligne
• algorithmes de reconstruction
• Les mesures des fonctions de structure de H1
• reconstruction cinématique
• principaux résultats
• Conclusions et prospective
• la physique du top

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Motivations
Les collisionneurs hadroniques permettent
d'explorer les interactions des particules aux
plus hautes énergies

• à condition de
• maîtriser l'état initial et final
• connaissance des densités de partons
• modélisation de l'état final hadronique
• calculs des sections efficaces aux ordres
  supérieurs
• modéliser les bruits de fonds
• comprendre les bruits détecteur et accélérateur
• connaissances des interactions "molles"
• évaluer la contribution des processus avec les
  mêmes signatures expérimentales
• comprendre les performances du détecteur
• calibrations, en particulier des jets
• efficacités de reconstruction

6
HERA et LHC

• les expériences de HERA permettent
• d'étendre le domaine cinématique mesuré des
  densités de partons (pdf)
• de confirmer la validité de l'évolution des pdf
  par la QCD perturbative (équations de DGLAP)
• de déterminer le comportement de la densité de
  gluons à petit x
• de contraindre la région à grand x dans le
  domaine perturbatif
• d'améliorer la modélisation de l'état final
  hadronique

7
Tevatron et LHC

• Les expériences du Tevatron permettent
• de vérifier les prédictions QCD dans un
  environnement hadronique
• de contraindre d'avantage les paramètres
  électrofaibles, en particulier pour la recherche
  du Higgs
• d'étudier les propriétés du quark top, un des
  bruits de fond majeur du LHC
• d'affiner des algorithmes de reconstruction et
  des techniques d'analyse, bien que pour des
  expériences à plus petit échelle
• de démarrer des détecteurs pour la dernière fois
  avant le LHC

8
Tevatron Run II

• 2000 mise en service du "Main Injector" (tests
  cible fixe)
• 2001 installation des expériences, début du Run
  II en avril
• opération du Tevatron en mode 36?36 à 980 GeV /
  faisceau
• luminosité maximale atteinte 5 ? 1031 cm-2
  s-1
• luminosité intégrée 210pb-1

projections de luminosité de 4 à 9 fb-1 en 2009
9
Le détecteur du Run II
Mesure des ? MDT, PDT, scintillateur
Blindage
Calorimètre Nouvelle Électronique, Trigger, DAQ
Nouveau Système de mesure des traces solénoïde,
Silicium, Fibres Scintillantes, pied de gerbes
10
Calorimètre nouvelle électronique

• 55000 canaux Ur/Argon liquide
• améliorations pour le Run II
• remplacement de l'électronique afin d'accommoder
  un temps dinteraction de 132 ns
• 55k dual FET PreAmps
• 23k Switch Capacitor Arrays (SCA) avec 8M
  cellules de stockage sur 1200
  BaseLineSubtraction (BLS)-boards
• 50 mauvais canaux (0.1)

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Calorimètre électronique

• BLS (Base Line Subtraction)
• mise en forme du signal
• mémoires analogiques,
• soustraction de la ligne de base
• sélection des gains

• ADC
• digitation
• suppression de 0

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Calorimètre bruit électronique
total 46938 channels

• le bruit électronique mesuré (? du piédestal) en
  coups ADC dépend de la taille de la cellule (sa
  capacité) et de la capacité de feedback du type
  de PreAmpli
• le comportement de ce bruit correspond aux
  valeurs attendues pour les canaux qui
  fonctionnent correctement
• le bruit en coups ADC est approximativement le
  même quau Run I
• plus élevé en énergie (inversion des
  résistances, non-linéarité des SCA)

?/C vs. channel
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Algorithmes NADA
Identification des cellules chaudes et isolées du
calorimètre
AIDA - Run I seulement les dépôts dénergie des
cellules isolée longitudinalement sont
considérés ? bonne efficacité (99) mais taux
élevé de misidentification (10)
calorimètre
NADA - Run II le critère disolation tient
compte de toutes les cellules voisines ?
efficacité encore bonne (90) et faible taux de
mis identification (0) !! ? abaissement du seuil
dénergie possible taux de mis identification
encore faible (lt 1)

• inclus dans la reconstruction de DØ depuis 2001
• adapté à partir de la "ynoise-suppression" de
  H1

14
Algorithmes T42

• sélection de toutes les cellules avec un signal gt
  4?
• entre 2? et 4? uniquement les voisins sont gardés
  
• développé à partir de l'algorithme TNS de H1
• mais rejet des cellules dénergie négative

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Reconstruction de J/? et ?

• reconstruction des électrons à basse énergie
  avec/sans T42
• meilleur efficacité de reconstruction, avec un
  peu plus de bruit de fond
• les coupures de sélection doivent être adaptées
• meilleure résolution en énergie

16
La calibration électronique
Pulser Interface configuration automatique

• précision sur la linéarité des courants lt 0.1
• incertitude principale capacités parasitiques

12 Pulsers délivrent courants continues ?
hauteur du pulse commandes du début du pulse
6 répartiteurs actifs avec 16 bascules forment le
signal de calibration
17
Calibration Résultats

• mesure du signal de calibration après shaping et
  après digitation ? inversion des résistances
  d'adaptions de gain BLS/ADC
• comparaison de la réponse gain1/gain8 ?
  non-linéarité des SCA
• intercalibration des gains des canaux
  électronique

non-linéarité des SCA
stabilité des gains sur une année
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Calibration Z? ee
effet des différentes corrections de calibration
appliquées à l'énergie des électrons
19
Calibration Corrections

• Correction pour le temps déchantillonnage du
  signal (effet 1)
• variation canal/canal pour la différence
  calibration/physique (1)

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Calibration les jets

• calibration des jets à partir des événements
  ?jets
• résolution déterminée à partir des événements
  di-jet, utilisant pt1-pt2/pt1pt2

• différence entre données et simulation à grand
  énergie
• terme constant?
• simulation des cracks?
• compensation?

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Calorimètre prospectives

• buts
• erreur su l'échelle en énergie
  électromagnétique lt 1
• erreur sur l'échelle en énergie des jets 2
• détermination de la résolution em à partir des
  données
• calibration par les resonances Z, J/?, ?
• calibration en E/p
• amélioration de la simulation des matériaux
  morts
• études de l'influence des cracks
• correction de diaphonies
• mesure de e/?, vérification de la compensation
• reponderation de l'énergie hadronique à la H1

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HERA

• unique collisionneur ep 27GeV(e) ? 820/920 GeV
  (p)
• démarrage 1991, arrêt machine 2000/2001 pour
  augmenter la luminosité
• temps de croisement 96ns

luminosités intégrées HERA I ep ?s300 GeV 35
pb-1(94-97) ep ?s320 GeV 77 pb-1(99/00) e-p
?s320 GeV 14 pb-1(98/99)
23
DIS à HERA
les interactions de diffusion profondément
inélastique à HERA permettent de sonder la
structure du proton à une échelle ? 10-18 m

• variables cinématiques
• moment de transfert
• Q2 - (e-e')2
• paramètre d'inélasticité
• y(p ?) /(p e)
• fraction du moment du proton
• xQ2/ (p e) Q2/y s

mesure à la fois de l'électron diffusé et de
l'état final hadronique
24
Régions cinématiques à HERA

• extensions par rapport au expériences sur cible
  fixe
• accès à la région à bas x et bas Q2
• extrapolation à grand Q2
• mesure à grand x grâce à des méthodes
  hadroniques
• mesure de ?S
• mesures à grand y
• ? détermination de FL
• mesure NC/CC au sein des mêmes expériences
• mesures en e/e-
• vérification des prédictions électrofaibles
• détermination de xF3

25
Les fonctions de structure
Pour des interactions à courant neutres (NC)
en ne considérant uniquement l'échange
électromagnétique
26
Les ajustements NLO-DGLAP
L'évolution de F2 dépend des densités de quarks
et de gluons
Les densités de partons sont définis par
non-singlet
singlet
gluon
La forme des densités de partons est paramétrée
L'évolution des pdf est donnée par les équations
DGLAP
27
La structure du proton
densités de partons/gluons dans différentes
régions cinématiques bas Q2 domaine
non-perturbatif description des section
efficaces par des modèles du type
Regge évolution à grand Q2 termes dominants
en log Q2 ? équations DGLAP ? comportement en
x non-contraint évolution à bas x termes
dominant en log1/x logQ2 ? équations BFKL ?
densité de gluons en x-? , ??0.5
28
La reconstruction cinématique

• 4 quantités mesurées ? la cinématique est sur
  contrainte
• électron (E, ?) hadrons (?h?Eh-pz,h, pT,h, ?h
  2 atan ?h/ pT,h)
• y ?h/2E0 Q2pT2/(1-y) xQ2/ys (s4E0P)
• conservation d'énergie/impulsion combinaisons
  pour calculer y, Q2, x
• électron (E, ?) Q2 excellent, mais faible
  résolution à bas y
• hadrons (?h, pT,h) mauvaise résolution en Q2,
  stable en y
• méthodes combinées e/h DA (?, ?h), "mixed"
  (Q2e,yh), ? (E,?, ?h), e?.

Pureté
Acceptance
Stabilité
29
Reconstruction de yh
Q2 gt 150GeV2
Q2 lt 150GeV2

• reconstruction de yh à partir des différents
  sous-détecteurs
• pertes des particules "molles" combinaison
  "cellules trace"
• région à bas y sensible au bruit dans le
  calorimètre à Argon liquide soustraction du
  bruit à la "NADA"

30
F2 pré-HERA

• comportement de F2 à petit x non contraint
• mesures de BCDMS/NMC jusqu'à x0.01 à Q220GeV2

différentes prédictions MRSD0/CTEQ1 densité de
gluons à la Regge - g(x)?x0 MRSD- densité de
gluons à la BFKL - g(x)?x-? avec ?0.5 GRV
évolution DGLAP de la densité de gluons
"valence-like" à Q2lt1
31
F2 croissance à petit x

• première mesure de F2 sur les données 1992
• luminosité L22.5 nb-1
• forte croissance de F2 à petit x
• pas de comportement à la Regge
• précision limitée

32
F2 violation déchelle

• mesure de F2 sur les données 1993
• luminosité L271 nb-1
• mesure sur 14 bins en x
• observation de la violation d'échelle en log Q2
  
• premier ajustement NLO-QCD
• croissance de F2 due à l'augmentation de la
  densité des quarks de la mer à petit x, engendrée
  par boson-gluon fusion

33
F2 la densité de gluons

• mesure de F2 sur les données 1994
• luminosité L2.7 pb-1
• première mesure de précision
• domaine de mesure en Q2 entre 1.5 et 5000 GeV2
• extraction de la densité de gluons par
  ajustement QCD-NLO
• précision de 15

34
F2 taux de croissance en x

• mesure de F2 sur les données 1995
• première mesure avec SpaCal
• donnes à vertex déplacé permettent l'exploration
  du domaine de transition photoproduction - DIS
• domaine de mesure en Q2 entre 0.35 et 3.5 GeV2
• parametrisation des pentes de F2 en x-? pour
  xlt0.1
• évolution des pentes en fonction de Q2
• mesures ultérieures changement de comportement
  autour de Q2?1GeV2 avec une limite de ? ?0.08 (a
  la Regge)

35
DIS à grand Q2
? dépendance au propagateur et au terme de
fonction de structure ?
? NC couplage au quarks dépend de leur charge
? CC couplage au quarks dépend de leur charge et
de leur saveur
36
grand Q2 d?/dQ2

• données 1994-1997 à Q2gt150GeV2
• luminosité L37.6 pb-1
• la section efficace NC dominée par les
  interactions électromagnétiques
• variation de d?/dQ2 sur 7 ordres de grandeurs
• la dépendance de la section efficace CC permet
  d'extraire MW dans la voie s
• précision sans contraindre GF ?MW5.2GeV
• précision en utilisant les contraintes du Modèle
  Standard sur GF ?MW0.4GeV avec une erreur
  dominante venant des pdfs

37
grand Q2 ?r(x,Q2) à grand x

• mesure de la section efficace jusqu'à x0.65
• section efficace à x0.65 plus faible que
  attendue
• région cinématique uniquement contrainte par des
  données BCDMS à plus bas Q2
• reconstruction cinématique HERA méthodes
  hadroniques(e?) sensible au bruit calorimétrique
  BCDMS méthodes leptonique intrinsèquement
  faible résolution
• sensible aux quarks de valence
• influence sur ?S

38
grand Q2 densités u et d

• extraction des densités des quarks de valence à
  grand x
• NC contribution dominante quark u
• CC en ep contribution dominante en quark d
• xq?mesxqfit/ ?fit
• extractions des densités pour des bins avec une
  contribution attendue en u et d supérieur à 70
• erreur sur la soustraction 2

39
grand Q2 lhelicité

• dépendance en (1-y)2 correspond à cos??/2 dans
  le centre de masse
• CC W??Lq supprimé (conservation de la
  helicité)
• NC
• ?/Z contributions isotrope et non-isotrope
• contribution de xF3 non-isotrope

uc
(1-y)2xF3
échange de ? uniquement
40
F2 mesures de HERA I

• domaine cinématique mesuré
• 0.01 lt Q2 lt 30000 GeV2
• 10-5 lt x lt 0.65
• détermination de la densité de gluons à 3
• extraction de FL, xF3
• détermination de ?S
• 0.115 0.0017(exp) 0.005(theo)
• sur les données H1 et BCDMS

41
pdf post-HERA I

• influence des données de HERA dans le analyses
  globales (MRST/CTEQ)
• accord pour la détermination de ?S
• 0.11650.002 0.003 (MRST)
• 0.11650.0065 (CTEQ)
• incertitudes sur les pdf

• différence majeur entre MRST/CTEQ
• la densité de gluons à moyen x
• contrainte expérimentale mesure de la section
  efficace des jets au Tevatron

42
top la production
Tevatron 85 LHC 10
Tevatron 15 LHC 90

• masse du top élevée ? calcul perturbatif de la
  section efficace
• au Tevatron le top est produit à grand x ?
  principalement en mode qq
• la section efficace au NNLO à ?s1.96 TeV est
  ?6.77pb
• au LHC production principalement en mode gg
• section efficace NLO à ?s14 TeV est ?833pb

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top canaux de désintégration

• désintégration quasi exclusivement en Wb
• détection selon le canal de désintégration
• di-lepton faible rapport d'embranchement,
  signal/bruit ? 3.5
• hadronique bruit de fond QCD élevé
• leptonjets cinématique contrainte

estimation pour L2fb-1
44
top section efficace

• Premières mesures de ?tt du Run II avec L100
  pb-1 en
• di-lepton (ee, ??, e?)
• leptonjets (ejets, ?jets)

mesure au Run I à ?s1.8 TeV
? 5.69 ? 1.21 (stat) ? 1.04 (syst)

• intérêt de la mesure ?tt
• vérification des prédictions QCD
• recherche de nouvelle physique
• production via bosons lourds
• mode de désintégrations autres que Wb

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top prospectives Run II

• Pour une luminosité de 2 fb-1
• précision sur la section efficace 8
• erreur statistique 4
• erreurs systématiques
• estimation du bruit de fond diminution avec la
  statistique des lots de contrôle 2
• échelle d'énergie des jets 2
• rayonnement QCD 2
• Limitations ?
• erreurs sur la simulation de l'acceptance 4
• erreur sur la luminosité 4

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top mesure de la masse

• la masse du top
• paramètre fondamental dans le Modèle Standard
• détermine le couplage ttH
• prédiction de la masse du Higgs par les
  corrections radiatives
• Run II DMh/Mh à 35

• canal leptonjets
• 3 contraintes
• m(ln) m(qq) mW
• m(lnb) m(qqb)
• 1 inconnue (pzn)
• 24 ambiguïtés combinatoire

47
Conclusion

• HERA I a permis de vérifier la validité de la
  QCD perturbative et de déterminer les densités de
  partons avec précision
• la densité de gluons à petit x
• les contraintes à grand x et grand Q2
• Tevatron est le seule endroit pour l'étude du
  quark top
• les mesures de la section efficace de production
• les contraintes de part sa masse sur la masse du
  Higgs
• complémentarité des deux programmes de physique
  donne le savoir nécessaire pour rechercher de la
  nouvelle physique au LHC