Recherche de thechnihadrons dans le spectre di-électrons et alignement temporel du Calorimètre ...

174 Pages·2012·9.57 MB·English

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité: Physique des Particules
Arrêté ministériel: 7 août 2006
Présentée par
Ludovica Aperio Bella
Thèse dirigée par Lucia Di Ciaccio
codirigée par Tetiana Berger-Hryn'ova
préparée au sein du Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de
Physique des Particules
dans l'École Doctorale de Physique de Grenoble
Recherche de thechnihadrons dans le
spectre di-électrons et alignement
temporel du Calorimètre Argon Liquide
de l’expérience ATLAS
Thèse soutenue publiquement le 14 Septembre 2012,
devant le jury composé de :
Mme. Tetiana BERGER-HRYN'OVA
LAPP - Annecy-le-Vieux, Directrice de thèse
M.Marc BESANCON
CEA - Saclay, Rapporteur
Mme. Lucia DI-CIACCIO
LAPP - Annecy-le-Vieux, Directrice de thèse
M. Jean-Pierre LEES
LAPP - Annecy-le-Vieux, Président
M. Aleandro NISATI
Roma La Sapienza, Examinateur
M. Guillaume UNAL
CERN, Rapporteur
Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP
Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP
LAPP-T-2012-02
Universite´ de Grenoble
—
Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique des Particules
THESE
pr´esent´ee pour obtenir le grade de
Docteur de l’Universite´ de Grenoble
Sp´ecialit´e : Physique des Particules
par
Ludovica Aperio Bella
Search for Technihadrons in Dielectron channel and Alignments
of the ATLAS Liquid Argon Electromagnetic calorimeters.
Soutenue publiquement le 14 Septembre 2012 devant le jury compos´e de
Tetiana BERGER-HRYN’OVA Annecy-le-Vieux Directrice de th`ese
Marc BESANCON CEA Saclay Rapporteur
Lucia DI-CIACCIO Annecy-le-Vieux Directrice de th`ese
Jean-Pierre LEES Annecy-le-Vieux Pr´esident du jury
Aleandro NISATI Roma La Sapienza Examinateur
Guillaume UNAL CERN Rapporteur
ii
A mio Nonno
iv
Contents
Introduction 1
1 Standard Model of Particle Physics and beyond 3
1.1 The Standard Model Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 The Particle in the SM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 The Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 The Electroweek Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 The EW symmetry breaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 The Problems of the SM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Technicolor Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 The Quantum Chromodynamics at high mass scale . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2 Minimal Technicolor models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Extended TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.4 Low-Scale Technicolor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.5 Minimal Walking Technicolor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 The Large Hadron Collider and The ATLAS detector 25
2.1 The Large Hadron Collider - LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 CERN accelerator complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.3 LHC operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 The ATLAS detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Magnet system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 The Inner detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 The Calorimetry system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4 The Muon Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.5 The Trigger system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 The LAr Timing Alignment 39
3.1 The ATLAS Liquid Argon calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 The electronic chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 The Optimal Filtering Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 Previous timing studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Analysis Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Calibration LArCells stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Electronic Noise suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.3 Timing Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
v
vi CONTENTS
3.4 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.1 Time offset per FEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 Channel by Channel adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.3 Timing Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Electron Efficiency measurements 57
4.1 Electron Objects in ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 Electron Reconstruction algorithm in ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.2 Electron identification in ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Efficiency and “Tag-and-Probe” Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Electron trigger efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Electron reconstruction and identification efficiency . . . . . . . . . . . . 69
4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Search for Technihadrons in Dielectron channel 79
5.1 Dataset and Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1.1 Dataset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1.2 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Signal and Drell-Yan cross-section corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1 Electron selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.2 Dielectron selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.3 Electron efficiency and energy scale corrections . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 SM Background estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.1 Data MC comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.2 Dielectron m spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
ee
5.4.3 Dimuon selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5 Systematic uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.1 Theoretical systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.2 Normalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.3 Efficiency and data-driven background systematic uncertainty . . . . . . 100
5.6 Statistical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.6.1 Weighting procedure and Signal Template . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.6.2 Discovery statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.6.3 Limit setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.7 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.7.1 LSTC Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.7.2 MWT Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Conclusion 119
Appendix 121
A The ATLAS electron and photon Triggers 121
B Energy scan at the FEB level 125
CONTENTS vii
C Trigger matching comparison in the tag selection 127
D Electron Identification efficiency 131
D.1 Electron Isolation variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
D.2 Electrons Identification efficiency for higher E bins . . . . . . . . . . . . . . . 132
T
E Performance of the very high E electron 135
T
E.1 Electron energy Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
F Technicolor Signal templates 139
F.1 Angular distribution of TC signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
F.2 Linear templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
G Limit results in the muon channel 143
R´esum´e 145
Le Mod`ele Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
La TechniCouleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Le LHC et l’exp´erience ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Le calorim`etre `a argon liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Mesures de l’efficacit´e d’´electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Recherche de TechniCouleur dans le canal dielectron . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References 153
Acknowledgment 159
viii CONTENTS