La Physique au Tevatron

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La Physique au Tevatron

• Le Tevatron et les détecteurs D0 et CDF
• Thèmes de recherche au Tevatron
• Physique du quark Top
• Mesures sur les bosons W et Z
• Recherche du boson de Higgs
• Perspectives

Sophie Trincaz-Duvoid
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Le Tevatron au RUN II
Collisionneur
proton-antiproton situé à
Fermilab abrite 2 détecteurs
D0 et CDF Utilisé de 1992 à 1996 (Run I) ?
découverte du quark Top en 1995. Remis en service
depuis mars 2001 avec des améliorations (Run
II). Energie dans le centre de masse 1.96 TeV
(1.8 Run I) Nombre de paquets 36?36 (6 ?6 Run I
) Luminosité intégrée/semaine 9 pb-1 (3.2 pb-1
Run I)
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Le détecteur D0

• 3 parties
• Détecteur . de traces
• Calorimètre
• Détecteur à . muons

Chambres à dérives centrales
Calorimètre Argon-Uranium
Aimants toroïdaux
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Le détecteur CDF
Même principe que D0 -
détection de traces - calorimètre -
détection des muons
Détection de traces
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Physique au Tevatron Run II

• ? Le quark Top
• Masse, section efficace de production tt, single
  top, désintégration rares, paramètre du modèle
  standard (? Mhiggs, brisure de symétrie
  électro-faible)
• ? La physique électro-faible
• Mesure précise de MW (? Mhiggs), tests et
  contraintes du modèle standard
• La recherche directe du boson de Higgs
• ? La QCD
• Tests de la théorie, jets à haute énergie
  transverse, diffraction..
• ? La physique du b
• Mélange des Bs, violation de CP, spectroscopie et
  mesure de temps de vie des hadrons beaux
• ? Recherche de nouveaux phénomènes
• Supersymétrie, extra-dimensions, leptoquarks

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La physique du quark Top
Mesures de Mtop et de ?(tt) à ?s 1.96 TeV. Au
Run I Mtop 174.3 ? 5.1 GeV (CDFD0) Le quark
top est encore mal connu ? mesures de précision
(Mtop paramètre du modèle standard), études de
désintégrations rares.
Production
Au Tevatron, essentiellement production par
paires tt. Production du single top via un vertex
électro-faible Wtb pas encore observée
?(tt) 7 pb ? 30
plus élevée quau Run I ( ?s plus élevée)
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Canaux de désintégration du top
Br(t?Wb) 100
qq l?
W b
Plusieurs combinaisons possibles selon le W
t t
qq l?
W- b
Combinatoire
3 cas de figures
dileptons (ee, e?, ?? 2 jets) (5)
lepton jets (e ou ? 4
jets) (30 ) 6 jets (44)
Statistique
Bruit
Z, instrumental W4jets QCD
RUN II Mesure de ?(tt) CDF et D0 canaux
dilepton, lepton jet Mesure
de Mtop CDF canal lepton jets
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Mesure de ?(tt) dans le canal dilepton à D0 Run II
?(tt) 29.921.0 (stat) 14.1 (sys)?3.0(lumi) pb
-15.7
-6.1
CDF RUN II ?(tt) 13.2?5.9(stat)
?1.5(sys)?0.8(lumi) pb (avec 79 pb-1)
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Mesure de ?(tt) dans le canal lepton jets à CDF
Run II
?(tt) 5.3?1.9(stat) ?0.8(sys)?0.3(lumi) pb
(avec 57.5 pb-1)
D0 RUN II ?(tt) 5.84.3 (stat) 4.1
(sys)?0.6(lumi) pb (avec 49.5 pb-1 (ejets) et 40
pb-1(?jets))
-3.4
-2.6
10
Mesure de Mtop CDF Run II
Systématiques
Amélioration avec la compréhension du détecteur
mfit (GeV)
RUN I 176.1 ? 6.6 GeV (CDF)
. 172.1 ? 7.1 GeV (D0)
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Mesure de ?(W)?B(W ? e?)
Production WZ Tests du modèle standard, tests
de QCD aux ordres supérieurs, mesure
électrofaibles de précision (masse et largeur du
W), vérification des algorithmes, bruits de fond
pour le top et le Higgs
CDF ?W?B 2.64 ?0.01(stat) ?0.09 (sys
)?0.16(lumi) nb avec 72 pb-1 D0 avec 42 pb-1

?(W) Br(W?e?) 3.054 ?
0.100 (NW) ? 0.086 (sys) ? 0.305 (lumi) nb
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Sections efficaces W/Z au Tevatron
Prédiction théorique C. R. Hamberg, W.L. van
Neerven and T. Matsuura, Nucl. Phys. B359 (1991)
343, CTEQ4M PDF
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La recherche du Higgs au Tevatron
Production
MHlt140GeV
MHgt140GeV
MH (GeV)
Désintégration
MH (GeV)
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Démarrage de la recherche du Higgs
Pour MH lt 140 GeV Etude de la production
W/Z(?l)jets ? source de
bruit de fond de W/Z di-jets
Pour MH gt 140 GeV H?WW ? ll-?? Signature ee,
e?, ?? ET Bruit Z/?, WW, tt, W/Zjets, et
QCD
dijet invariant mass in Wjets events
Masse invariante de deux jets dans un evt (Wjets)
Candidat H?WW ? ll-??
e
pT 31.1 GeV pT 27.3 GeV ET 31.2 GeV mT
106.8 GeV Mee 36.1 GeV ??ee1.43
e
D0
ET
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Perspectives de physique au Tevatron
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Conclusions

• Le Run II a maintenant démarré et les analyses
  de physique sont engagées.
• ? La statistique accumulée dépasse celle du Run I
  
• ? Des mesures plus précises sont sur le point
  dêtre refaites
• ? Des mesures ont été réalisées et montrées aux
  conférences dhivers dans dautres domaines que
  ceux abordés dans cette présentation
• Nombreux résultats attendus pour les conférences
  dété
• Le Tevatron va pouvoir explorer beaucoup de
  domaines de physique avant de passer le relais
  aux expériences du LHC.

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Backups
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Luminosité intégrée par D0 et CDF
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Luminosité instantanée
Pic de luminosité instantanée 4.4?1031 cm-2s-1
(objectif en 2001-2003 8.6?1031 cm-2s-1 ) Pic
de luminosité intégrée 9 pb-1/semaine
(objectif 17.3)
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Scénarii pour le futur
Version préliminaire basée sur le fonctionnement
de la machine
Management de Fermilab DOE priorité au
Tevatron
Stretch
Base
hypothèse moyenne du stretch 5fb-1 en
2008 contient le shutdown (machine et
installation du nouveau ?vertex)
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Sections efficaces au RUN I
RUN II (?s1.96 TeV)
RUN II (?s1.8 TeV)
13.2?5.9(stat) ?1.5(sys) ?0.8(lumi) pb
29.921.0 (stat) 14.1 (sys)?3.0(lumi) pb
-15.7
-6.1
5.84.3 (stat) 4.1 (sys)?0.6(lumi) pb
-3.4
-2.6
5.3?1.9(stat) ?0.8(sys)?0.3(lumi) pb
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Masse du top au RUN I
Avec 125 pb-1
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Mesure de ?(tt) dans le canal dilepton à D0 Run II

• Sélection des événements
• 2 ? ou e isolés de grand pT
  - coupure sur ET (rejette aussi Z?ll) - ? 2
  jets, pTgt20 GeV ?lt 2.5 - grand HT
  ?(PTjet ETl)
• Bruit de fond
• - WW, Z??? ?MonteCarlo -Z/?,
  Wjets et QCD ? Données

?(tt) 29.921.0 (stat) 14.1 (sys)?3.0(lumi) pb
-15.7
-6.1
CDF RUN II ?(tt) 13.2?5.9(stat)
?1.5(sys)?0.8(lumi) pb (avec 79 pb-1)
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Mesure de ?(tt) dans le canal lepton jets à CDF
Run II
Sélection
- un ? ou e avec PTgt20 GeV
- ET gt 20 GeV
- ? 3 jets avec ETgt15 GeV
- ? 1 jet avec un vertex secondaire
de b (détecteur de vertex au silicium)
- Veto sur Z, cosmiques, conversions Bruit
de fond Wjets (données), erreur sur
létiquetage du b (données) QCD (données)
?(tt) 5.3?1.9(stat) ?0.8(sys)?0.3(lumi) pb
(avec 57.5 pb-1)
D0 RUN II ?(tt) 5.84.3 (stat) 4.1
(sys)?0.6(lumi) pb (avec 49.5 pb-1 (ejets) et 40
pb-1(?jets))
-3.4
-2.6
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Mesure de Mtop CDF Run II

• Sélection
• - Un lepton de haut PT
• 4 jets ET gt 15 GeV et ?lt2.0
• ET gt 20 GeV
• Z veto
• 33 candidats
• Bruit de fond
• W 4 jets
• faux leptons, Drell-Yan

Amélioration avec la compréhension du détecteur
Systématiques
mfit (GeV)
RUN I 176.1 ? 6.6 GeV (CDF)
. 172.1 ? 7.1 GeV (D0)
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Nouvelle mesure de Mtop avec D0 Run I

• Méthode de Kondo (utilisant le maximum
  dinformation disponible) -
  Définit une probabilité que lévénement soit du
  signal
• Définit une probabilité que lévénement soit du
  bruit
• Construit une probabilité de lévénement
• Construit un Likelihood pour avoir Mt et les
  fractions de signal et de bruit

mtop
Résultat préliminaire Mt 179.9 ? 3.6 ? 6.0 GeV
? Amélioration de lerreur statistique (2.4?
stats) (cétait 173.3?5.6 ?5.5 GeV

dans PRD 58 052001,1998)
Application de la technique à dautres mesures
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Mesure de ?(W)?B(W ? e?) à CDF
Production WZ Tests du modèle standard, tests
de QCD aux ordres supérieurs, mesure
électrofaibles de précision (masse et largeur du
W), vérification des algorithmes, bruits de fond
pour le Top et le Higgs
Signal
e- ET gt 25 GeV
.
Correspondant à une trace de
. PT gt 10 GeV
ETgt 25
GeV Bruits
QCD 3.5 W ? ?? 2.0 Z ? ee
0.9
?W?B 2.64 ?0.01(stat) ?0.09 (sys )?0.16(lumi)
nb avec 72 pb-1 A D0 avec 42 pb-1

?(W) Br(W?e?) 3.054 ? 0.100 (NW) ?
0.086 (sys) ? 0.305 (lumi) nb
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Mesure de ?(W)?B(W ? ??) à CDF
Sélection
. Muon (central)
. Coups dans les chambres .
Correspondance avec une trace . de PT gt 20 GeV
.
Ionisation minimum dans le calorimètre
. ET gt 20 GeV
. Vetos sur
les cosmiques Z? ?? Bruit
Z ? ?? 5.3
W ? ?? 3.2
Cosmiques 1.3
QCD 1.0
?W?B 2.64 ?0.02(stat) ?0.12(sys) ?0.16(lumi) nb
avec 72 pb-1 D0 avec 17 pb-1

?(W) Br(W???)
3.226 ? 0.128 (stat) ? 0.100 (sys) ? 0.323 (lumi)
nb
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Etiquetage des b dans D0 avec un lepton
Utilisation des leptons

• Impact Parameter gt 0
• ? track crosses jet axis after primary vertex

m jet sample
Jet
DØ Run II Preliminary
Positive IP
Resolution
track
Interaction point
b enhanced

• Impact Parameter lt 0
• track crosses jet axis before primary
• vertex

Jet
Interaction point
Significance IP/sIP
track
Negative IP
Autre possibilité vertex secondaire en
recherchant un vertex a partir des traces
contenues dans un jet