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[in2p3-00363575, v1] Étude de la section efficace de production du boson Z dans le canal électronique

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Author manuscript, published in "Journées Jeunes Chercheurs 2008, Saint Flour : France (2008)"Premi`ere partieTitre de la session1in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009Etude de la section efficace de production duboson Z dans le canal ´electronique `a 14 TeV dansl’exp´erience ATLASOlivier ArnaezLAPP, Universit´e de Savoie, CNRS/IN2P3,Annecy-le-Vieux, FranceR´ esum´e g´ en´eral dans la partie 1.3.Les mesures de pr´ecision ´electrofaibles ainsi que larecherche de nouvelle physique constituent une part im-portante du programme scientifique de l’exp´erience AT- 1.2 S´election des ´ev´enementsLAS au LHC. Ce document pr´esente quelques aspectsde la m´ethode utilis´ee pour s´electionner les ´ev´enementsLe d´etecteur ATLAS au centre duquel vont se pro-au cours de l’analyse de la d´esint´egration du boson Zduire les collisions `a14TeVva,`a chaque croisementdans le canal ´electronique ainsi que la mesure des effi-de paquets de protons, voir se d´eposer en son seincacit´es de s´election des ´electrons utile pour l’ensembleune grande quantit´ed’´energie correspondant ad` edes analyses effectu´ees dans ATLAS.nombreuses particules. La fr´equence des interactionsest estim´ee `a∼ 1 GHz.Un syst`eme de d´eclenchement `a 3 niveaux bas´esur1.1 Introductionles d´epˆ ots d’´energie dans les sous-d´etecteurs et leurstopologies permet de ramener le taux d’acquisition a`Graˆce au Large Hadron Collider, la physique sur200 Hz [2] ...
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Author manuscript, published in "Journées Jeunes Chercheurs 2008, Saint Flour : France (2008)"
Premi`ere partie
Titre de la session
1
in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009Etude de la section efficace de production du
boson Z dans le canal ´electronique `a 14 TeV dans
l’exp´erience ATLAS
Olivier Arnaez
LAPP, Universit´e de Savoie, CNRS/IN2P3,
Annecy-le-Vieux, France
R´ esum´e g´ en´eral dans la partie 1.3.
Les mesures de pr´ecision ´electrofaibles ainsi que la
recherche de nouvelle physique constituent une part im-
portante du programme scientifique de l’exp´erience AT- 1.2 S´election des ´ev´enements
LAS au LHC. Ce document pr´esente quelques aspects
de la m´ethode utilis´ee pour s´electionner les ´ev´enements
Le d´etecteur ATLAS au centre duquel vont se pro-
au cours de l’analyse de la d´esint´egration du boson Z
duire les collisions `a14TeVva,`a chaque croisement
dans le canal ´electronique ainsi que la mesure des effi-
de paquets de protons, voir se d´eposer en son sein
cacit´es de s´election des ´electrons utile pour l’ensemble
une grande quantit´ed’´energie correspondant ad` e
des analyses effectu´ees dans ATLAS.
nombreuses particules. La fr´equence des interactions
est estim´ee `a∼ 1 GHz.
Un syst`eme de d´eclenchement `a 3 niveaux bas´esur1.1 Introduction
les d´epˆ ots d’´energie dans les sous-d´etecteurs et leurs
topologies permet de ramener le taux d’acquisition a`Graˆce au Large Hadron Collider, la physique sur
200 Hz [2].collisionneurs va entrer dans une nouvelle `ere. Ces
r´esultats ne vont pouvoir ˆetre interpr´et´es de mani`ere
fiable qu’` a la condition de bien connaˆıtre les d´etecteurs Une fois les donn´ees en provenance de tous les sous-
et leurs performances. d´ etecteurs collect´ees et enregistr´ees, elles subissent
plusieurs ´etapes de reconstruction permettant de pas-
Le canal de d´esint´egration du boson Z dans ser des signaux individuels ad` escandidats particules.
le canal ´electronique -produit au LHC dans les C’est le cas par exemple lorsqu’un d´epˆ ot d’´energie
collisions protons-protons par interaction quark- dans le calorim`etre ´electromagn´etique est reconstruit
antiquark de la mer- est un canal de physique `a partir d’un amas de cellules appel´e cluster et que ce
bien connu depuis les r´esultats obtenus `aLEP dernier peut ˆetre associ´e`a une trace reconstruite dans
(M 91.1876 ± 0.0021 GeV [3]).
Z le d´etecteur interne pour former un candidat ´electron.
Malgr´e cela, il reste un int´eret physique majeur La reconstruction termin´ee, on disperse alors les fi-
puisque sa section efficace de production n’a jamais ´et´e chiers de donn´ees dits orient´es analyses contenant un
mesur´ee `a 14 TeV et que la mesure de la section efficace ensemble de particules reconstruites pour chacun des
diff´erentielle permet d’am´eliorer la connaissance des ´ev´enements enregistr´es. Afin de limiter l’acc`es `a l’en-
fonctions de structure de partons. Ce canal constitue semble des donn´ees enregistr´ees et diss´emin´ees sur la
´egalement un bruit de fond physique important pour grille, il est alors n´ecessaire d’op´erer un tri afin de s´elec-
la nouvelle physique recherch´ee. tionner seulement les ´ev´enements susceptibles de conte-
+ −nir des d´esint´egrations Z→ e e (∼ 1/75 Hz pour une
31 2De plus, comme les ´electrons laissent des traces dans luminosit´ede10 cm /s, soit moins de un par minute).
le d´etecteur interne et d´eposent une grande partie de
leur ´energie dans le calorim`etre ´electromagn´etique,on
+ −peut utiliser les ´ev´enements Z→ e e afin d’´etalonner
ces deux sous-d´etecteurs d’ATLAS [1]. Figurent parmi 1.2.1 Lots de donn´ees r´eduites
les proc´edures d’´etalonnage la mesure de l’uniformit´e
de r´eponse du calorim`etre ´electromagn´etique, la me- Ce tri se fait par int´erˆet de physique. Il a ainsi ´et´ed´e-
sure des efficacit´es de d´eclenchement de l’acquisition fini un format de donn´ees d´edi´ees appel´e“DPDW/Z”
de donn´ees, l’´etablissement de l’´echelle en ´energie des qui contient le sous-ensemble des ´ev´enements ayant soit
´electrons et en particulier la mesure des efficacit´es de un ´electron reconstruit de bonne qualit´e (voir partie
s´elections des ´electrons que nous d´ecrirons dans la sec- 1.3), soit deux ´electrons reconstruits de qualit´einf´e-
tion 1.4. rieure de facon¸ a` pouvoir, dans les analyses, avoir acc`es
+ −Auparavant nous d´ecrirons la s´election des ´ev´enements aux ´ev´enements Z→ e e et W → eν. Cette pr´es´elec-
+ −
Z→ e e parmi le flot de donn´ees dans ATLAS dans tion permet de r´eduire encore le taux de 200 Hz jusqu’` a
la partie 1.2 et les crit`eres de s´election des ´electrons en ∼ 19Hz.
3
in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009Fig. 1.1 – Distribution de masse invariante dans le ca-
nal Z→ ee pour signal et fond apr`es s´election.
Fig. 1.2 – Comparaison des efficacit´es de r´ejection du
1.2.2 Coupures de s´election fond QCD en fonction de l’efficacit´edes´election des
´electrons isol´es du Z sur les candidats TightNoIsol pour
La strat´egie de s´election des ´ev´enements `a l’in-
diff´erentes tailles de conˆ es.
t´erieur de ces lots consiste `a ne garder que ceux
qui ont d´ eclench´e l’acquisition des donn´ees par un
d´ epˆ ot d’´energie localis´esup´erieur `a10GeV dans le pure et va ˆetre consid´er´e comme un bon ´electron, soit
calorim`etre EM. Ensuite, on demande au moins deux il ne la passe pas et va ˆetre rejet´e pour l’analyse. C’est
candidats ´electrons reconstruits ayant des pseudorapi- pour cette raison qu’il est n´ecessaire de bien optimiser

θdit´es |η| < 2.5( η =−ln tan avec θ l’angle polaire les coupures isEM comme nous allons le voir avec les
2
par rapport a` l’axe du faisceau) et `a l’ext´erieur de la coupures d’isolation.
zone de s´eparation des cryostats (1.37 < |η| < 1.52),
des impulsions transverses sup´erieures `a15GeV et des
1.3.2 Crit`eres d’isolation
qualit´es d’identification “Tight” (voir partir 1.3).
Les ´electrons obtenus par la d´esint´egration du Z
La mesure de section efficace se fait alors par ex- sont des ´ isol´es. Or, le fond principal au canal
+ −traction du nombre de candidats Z dans le pic de Z → e e est constitu´edes´ev´enements QCD multi-
masse invariante M (voir figure 1.1) par la formule : jets pour lesquels deux jets mimiquent des ´electrons.
ee
N−N
bkg Cependant, les jets issus des processus d’hadronisation
σ = o`uNestlenombred’´ev´enements compt´es
A.L
vont provoquer une grande activit´e´energ´etique dansdans la fenˆetre de masse du pic du Z (80− 100 GeV ),
le d´etecteur. Ainsi nous allons pouvoir diff´erencier
N le nombre d’´ev´enements de fond estim´e, A l’ac-
bkg
les candidats ´electrons issus de vrais ´electrons isol´esceptance cin´ematique, L la luminosit´eet l’efficacit´e
provenant du Z des candidats ´electrons provenant dede s´election dont une partie est le terme d’efficacit´ede
jets QCD. L’ensemble des crit`eres visant `a mesurers´election des ´electrons pour lequel nous verrons une m´e-
l’activit´e´energ´etique autour des candidats ´electronsthodedemesureenpartie1.4
vont s’appeler crit`eres d’isolation.Voyons tout d’abord comment nous pouvons am´eliorer
ce terme.
Cette activit´e peut se mesurer de diff´erentes fa¸ cons :
dans un cˆone centr´e autour du candidat ´electron
1.3 S´election des ´electrons nous allons, soit pouvoir sommer la quantit´ed’´energie
d´ epos´ee dans les cellules du calorimetre, soit utiliser
Comme nous l’avons vu, un candidat ´electron est l’information sur le nombre de traces reconstruites et
form´e par association d’une trace du d´etecteur interne leurs impulsions transverses, soit encore combiner ces
au` namas´electromagn´etique. Ensuite, plusieurs cri- crit`eres.
t`eres de qualit´evontˆetre appliqu´es. Ceux-ci concernent
la forme de la gerbe ´electromagn´etique dans le calori- Pour cette ´etude, des cˆones de tailles differentes ont
m` etre, la qualit´e de la trace, la qualit´e de l’association ´et´e utilis´es. Nous avons alors constat´e que la taille
amas-trace ainsi que des crit`eres d’isolation comme on du cˆone dans lequel mesurer l’activit´e´energ´etique
le verra en sous-partie 1.3.2. du calorim`ere optimisant le taux de r´ejection des
candidats ´electrons issus des jets QCD variait selon
l’efficacit´edes´election d´esir´ee pour les ´electrons isol´es
1.3.1 Jeux de coupures standards
issus du Z comme le montre la figure 1.2.
Ces diff´erents crit`eres sont r´eunisdansjeuxdecou-
pures standards appel´es “isEM”Loose, Medium, Tight- Une ´etude compl´ementaire utilisant l’information
NoIsol et Tight en allant de coupures les plus lacˆ hes du bruit ´electronique moyen par cellule a ´et´emen´ee.
aux coupures les plus strictes. Ces coupures sont des Nous avons vu que ne sommer que les cellules dont
coupures binaires, i.e. soit un candidat “passe” la cou- l’´energie est sup´erieure a3o` u5σ n’am´eliore pas
bruit
in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 20091.4 Mesure des efficacit´es de s´e-
lection des ´electrons
Il est indispensable de pouvoir estimer l’efficacit´ede
ces coupures dans la s´election des ´electrons. Une pre-
mi`ere m´ethode consisterait `a utiliser les donn´ees simu-
l´ees mais la simulation Monte-Carlo n’´etant pas par-
faite, il faut donc d´evelopper une m´ethode de mesure
des efficacit´es sur les donn´ees.
La m´ethode envisag´ee pour ce qui concerne les efficaci-
t´es de s´election des ´electrons est la m´ethode dite “Tag
and Probe”, d´eja´` eprouv´ee au Tevatron [4].
Nous op´erons une s´election d’´ev´enements contenant 2
candidats ´electrons reconstruits dont un, appel´e “tag”,
de tr`es bonne qualit´e(Tightg´en´eralement) et dont la
Fig. 1.3 – Comparaison des efficacit´es de r´ejection du
masse invariante se situe dans le pic du Z (entre 80fond QCD en fonction de l’efficacit´edes´election des
et 100 GeV). La coupure test´ee est alors appliqu´ee au´electrons isol´es du Z sur les candidats TightNoIsol pour
deuxi`eme ´electron appel´e“probe”.des variables utilisant l’information sur le bruit (bleu et
Lorsqu’il n’y a pas de fond, l’efficacit´e de coupure estrouge) ou non (vert).
alors
N
probes passant la coupure
ε = (1.1)
coupure
N
probes test´es
La validation de cette m´ethode a ´et´e l’objet d’un tra-
vail document´edanslessp´ecifications de performances
attendues pour le d´etecteur ATLAS dont est extraite
la figure 1.5 montrant l’accord obtenu entre les efficaci-
t´es mesur´ees par la m´ethode Tag and Probe sur un lot
de pseudo-donn´ees et les efficacit´es Monte-Carlo (MC)
utilisant l’information vraie. Cet accord est de l’ordre
du pourcent.
1.4.1 Erreurs syst´ematiques
La m´ethode Tag and Probe ´etant valid´ee par de tels
Fig. 1.4 – Comparaison des efficacit´es de r´ejection du r´esultats, il a aussi fallu estimer les autres erreurs sys-
fond QCD en fonction de l’efficacit´edes´election des t´ematiques de la mesure d’efficacit´e sur donn´ees. Pour
cela nous avons observ´e les effets de diff´erents para-´electrons isol´es du Z sur les candidats TightNoIsol pour
m` etres entrant en jeu dans la s´election des ´ev´enementsdes variables combinant informations sur les traces et
“tagged”. Entre autres,informations sur les cellules du calorim`etre.
–las´election de la condition de d´eclenchement de
l’acquisition de donn´ees,
– la correspondance entre l’´el´ement de d´eclenche-de mani`ere significative l’efficacit´eder´ejection (voir
ment et le candidat ´electron tag,figure 1.3).
– les conditions de qualit´e appliqu´ees au candidat
tag,
Finalement, nous avons montr´e que le crit`ere d’iso- – l’application d’une condition d’opposition de
lation offrant la meilleure efficacit´eder´ejection du charges entre le candidat tag et le candidat probe,
fond QCD en fonction de l’efficacit´edes´election des – l’application d’une condition “dos-`a-dos” entre le
´electrons allie un crit`ere bas´e sur les traces (la somme tag et le probe
des impulsions transverses des traces dans un cˆone –ouencore,lafenˆetre de masse invariante choisie
autour du candidat) et un crit`ere sur l’´energie dans pour la paire tag-probe.
les cellules du calorim`etre (somme des cellules dans un Il a ´et´emontr´e en particulier, que renforcer les condi-
cˆone) au sein d’une coupure rectangulaire (voir figure tions impos´ees au candidat tag ou appliquer une cou-
1.4). pure “dos-a`-dos” introduisait un biais n´egligeable (voir
figure 1.7). Au contraire, le fait d’associer le candidat
Ces r´esultats sont bas´es sur des simulations Monte- ´electrontag `al’´el´ement trigger ayant d´eclench´e l’acqui-
Carlo. De plus, ne prenant pas en compte les effets sition de donn´ees est indispensable, au risque d’intro-
d’empilement (superposition d’´ev´enements dans le d´e- duire une erreur de plusieurs pourcents sur les efficaci-
tecteur), ils restent a` confirmer sur les donn´ees r´eelles. t´es mesur´ees comme le montre la figure 1.6.
in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009Fig. 1.5 – Efficacit´e de la coupure Medium sur des candidats ´electrons en fonction de|η| (`a gauche) et E (`adroite)
T
+ −pour des d´esint´egrations Z→ e e , en utilisant la m´ethode Tag and Probe et l’information sur la v´erit´eMC.
Fig. 1.7 – Efficacit´edes´election Tight pour des can-
Fig. 1.6 – Efficacit´edes´election Medium pour des can-
didats ´electrons avec P ∈ [25,40 GeV ] issus de d´esin-didats ´electrons issus de d´esint´egration du Z et des im-
T
t´egration du Z en fonction de η selon qu’aucune condi-pulsions transverses comprises entre 40 et 70 GeV en
tion sur la cin´ematique liant le candidat tag au candi-fonction de la pseudorapidit´e selon qu’aucune condition
dat probe est impos´ee ou que l’on impose une coupuresur le trigger est impos´ee ou qu’il soit requis avec/sans
“dos-` a-dos” ou d’opposition de charges. Cette derni`erematching entre l’´el´ement d´eclenchant et le candidattag.
introduit un biais non n´egligeable `agrandη.
De mˆeme, la condition d’opposition de charges entre R´ ef´erences
le tag et le probe introduit un biais importantag` rand
η comme le montre la figure 1.7. [1] The ATLAS Collaboration, G. Aad et al., The AT-
LAS Experiment at the CERN Large Hadron Col-Cette ´etude de syst´ematiques va faire l’objet d’une
lider, JINST 3 S08003 (2008)note.
[2] The ATLAS Collaboration, G. Aad et al., Expected
Performance of the ATLAS Experiment Detector,
Trigger, Physics, hep-ex/0901.0512v1 (2008)
[3] C. Amsler et al., Review of Particle Physics, Physics1.5 Conclusion
Letters B667, 1 (2008)
[4] CDF Collaboration, First measurements of inclusiveLes ´ev´enements Z→ ee dans ATLAS ´etant toujours
W and Z cross sections from Run II of the Fermi-d’un int´erˆet physique certain, nous avons vu comment
lab Tevatron Collider, Phys. Rev. Lett. 94, 091803mener une analyse et les s´elections `a effectuer dans l’en-
(2005)semble du flot de donn´ees enregistr´ees -au travers de
D0 Collaboration, Measurement of the shape ofcoupures sur la topologie des ´ev´enements ou leur qua-
∗the boson rapidity distribution for pp → Z/γ →lit´e de reconstruction- pour se ramener a` des candidats

+ −
e e + X events produced at s of 1.96 TeV,Z. Un effort particulier a ´et´eport´eici`a l’optimisation
hep-ex/0702025 (2007).des coupures d’isolation.
Nous avons ´egalement vu comment on peut utiliser de
tels ´ev´enements pour mesurer “sur donn´ees” les effica-
cit´es de s´election des ´electrons par la m´ethode Tag and
Probe.
in2p3-00363575, version 1 - 23 Feb 2009