D0 : physique au Tevatron - IPNL - IN2P3

IPNL - Rapport d’activité 2008-2009
Quarks & Leptons
D0 : physique au Tevatron
Permanents
G. Grenier, P. Lebrun, S. Muanza, P. Verdier
Non permanents
T. Kurca (CDD IN2P3/CNRS)
Since 2000, IPN Lyon is involved in the D0 collaboration at Fermilab which is an international collaboration
of about 700 physicists. This experiment is recording proton-antiproton collisions delivered by the
Tevatron at a centre-of-mass energy of 1,96 TeV. The main activities of the group are the search for new
physics beyond the Standard Model and the search for the Higgs boson. The group has acquired expertise
in large scale computing for Monte Carlo production and data reprocessing, in the integration and tuning
of Monte Carlo generators, and in the calorimeter calibration and reconstruction algorithms.
Simulation et production d’événements Monte Carlo
- Générateurs d’événements
La plupart des analyses de données réalisées dans D0 reposent sur une comparaison entre données réelles et une
simulation détaillée des processus du modèle standard et potentiellement des processus de nouvelle physique. Il est
donc primordial que les générateurs d’événements Monte Carlo utilisés dans D0 soient le plus proche possible de
la réalité. Or les collisions protons-antiprotons sont d’une grande complexité, et de nombreux paramètres doivent
être contrôlés et ajustés. Depuis son arrivée dans D0, le groupe de l’IPNL a toujours fortement contribué au groupe
« simulation » de D0, dont nous avons encore la co-responsabilité en 2009. Cette tache nécessite notamment une
interaction importante avec les théoriciens et phénoménologues qui développent ces générateurs.
Les travaux effectués par le groupe au sein du groupe « simulation » de D0 visent à assurer que les capacités de
production MC de D0 soient pertinentes pour les analyses de données. Les générateurs de type « parton shower »
comme PYTHIA sous estiment fortement la fraction d’événements avec des jets de grande impulsion transverse
(pT). Une bonne description des jets de grand pT nécessite l’utilisation de générateurs à éléments de matrice
comme ALPGEN. Le groupe a intégré ALPGEN au système de production MC de D0 et assure la maintenance de
cette intégration. ALPGEN est désormais le principal générateur utilisé par D0 pour la simulation des événements
W/Z+jets et il est indispensable pour quasiment toutes les analyses à grand pT dans D0.
- Production massive au CCIN2P3
La contribution française au calcul dans D0 se fait via l’utilisation du Centre de Calcul de l’IN2P3 (CCIN2P3). Ses
capacités sont utilisées en permanence pour simuler en moyenne 7 millions d’événements par semaine. Ces
événements, comme ceux des autres fermes de calcul, sont ensuite transmis à Fermilab pour qu’ils puissent
être utilisés par toute la collaboration D0. Nous avons en charge cette production d’événements au CCIN2P3, qui
représente en 2009 40% de toute la production Monte Carlo dans D0. Cette contribution est donc absolument
essentielle au programme de physique de la collaboration. De manière plus particulière, les moyens de calcul
et de stockage du CCIN2P3 ont également été utilisés pour
effectuer certaines simulations qu’il n’était pas possible de
réaliser sur d’autres fermes. Ces simulations ont été des
ingrédients indispensables pour des résultats majeurs de D0,
comme la calibration du calorimètre, la détermination de
l’échelle d’énergie des jets avec une incertitude de 1%, ou la
mesure de la masse du boson W. Nous avons également en
charge la coordination globale de la production Monte Carlo
dans D0, responsabilités prises depuis 2007.
Grâce aux outils développés, à la proximité du CCIN2P3 et à
notre grande implication dans cette tâche, la collaboration
D0 utilise pleinement les ressources du CCIN2P3, soit ~15%
des ressources totales du CCIN2P3, et a été le plus gros
utilisateur.
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Figure 1 : Nombre d’événements Monte Carlo
(en millions) simulés au ccin2p3 pour la collaboration D0.

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Calorimétrie
Depuis 2005, nous avons la co-responsabilité du groupe « calorimeter algorithms » de D0 et ce jusqu’en août
2009. Ce groupe a en charge la calibration du calorimètre et le développement et la certification des algorithmes
de reconstruction (jets, électrons, taus, et énergie transverse manquante), informations essentielles sur les objets
utilisés par les analyses de physique.
En ce qui concerne la calibration du calorimètre, le groupe de l’IPNL est responsable, et cela depuis 2007, du
développement et de la maintenance du software de reconstruction et des bases de données de calibration du
calorimètre. Un des développements effectué est la prise en charge dans cette base de données de l’ICD (InterCryostat
Detector) et la mise en place de procédures régulières de calibration de cette sous partie du détecteur. Le groupe
assure aussi le suivi de la calibration électronique des 55296 canaux du calorimètre.
Pour la reconstruction des objets dans le calorimètre, nous contribuons à leurs certifications pour les analyses
de physiques. Ceci implique la validation des mesures d’efficacités de reconstruction et d’identification de ces
objets dans les données et la simulation. Ces informations servent ensuite a toute les analyses de données dans D0
utilisant le calorimètre. Un des travaux important réalisé a partir de 2005 a été l’étude de ces efficacités en fonction
de la luminosité instantanée du Tevatron, dont la valeur maximale a plus que triplé entre 2005 et 2009. A très haute
luminosité, le nombre de collisions par croisement de faisceaux est supérieur à 10 ; l’occupation dans le calorimètre
est donc importante ; et les efficacités de reconstruction et d’identification des objets, en général, diminuent. Des
modifications ont donc été apportées aux algorithmes pour améliorer ces efficacités à haute luminosité, et les
simulations ont été corrigées pour tenir correctement compte de ces effets.
En plus du travail de coordination et de vérification au sein de ce groupe, nous nous sommes particulièrement
intéressés à la mesure de l’énergie transverse manquante (MET), ingrédient essentiel des analyses que nous
effectuons a l’IPNL. La mesure de l’énergie transverse manquante nécessite une compréhension globale des
événements, et doit être correctement corrigée pour tenir compte de l’échelle d’énergie des jets, des électrons,
des taus, et de la présence de muons dans le spectromètre. La procédure de corrections de la mesure de MET
a donc été développée et mise en place. D’autre part, l’étude des événements a grand MET nécessite une très
bonne compréhension du fonctionnement du calorimètre car le moindre problème dans l’électronique de lecture
ou le moindre bruit interne ou externe générant de grandes énergies, va modifier la queue de distribution de
l’énergie transverse manquante. Or c’est dans cette zone que nous recherchons un signe de nouvelle physique.
En plus du monitoring en ligne qui permet d’identifier très tôt une grande partie des problèmes, un monitoring
hors ligne détaillé a été mis en place. Il permet d’analyser les données du calorimètre en fonction du temps par
tranche d’une minute, et de rejeter, avec une très fine granularité les portions de données ou le calorimètre a eu
un dysfonctionnement.
Recherche de nouvelles particules
L’axe principal de recherche a été la recherche de nouvelle physique, dont nous avons eu la co-responsabilité dans la
collaboration D0 en 2007-2008. Le groupe est spécialisé dans les topologies d’événements avec des jets et de l’énergie
transverse manquante. Nous nous intéressons principalement à la recherche de la supersymétrie, mais d’autres
modèles (Leptoquarks, « Little Higgs ») ont également été considérés. Parmi toutes les particules supersymétriques,
les squarks et les gluinos, partenaires supersymétriques des quarks et des gluons, seraient celles le plus abondamment
produites au Tevatron, et bientôt au LHC. Ces squarks et gluinos se désintégreraient principalement en quarks,
donnant la signature jets et énergie transverse manquante recherchée, dans le cas ou la R-parité est conservée.
- Recherche de squarks et de gluinos
La première analyse de recherche de squarks et de gluinos est celle
dite générique ou l’on ne cherche pas à identifier la saveur des quarks.
La sélection des événements est optimisée séparément pour les événements
> =2 jets + MET, > = 3 jets + MET et > = 4 jets + MET. Dans la
dernière mise à jour publiée en 2008 qui utilise 2,1 fb-1 de données
[1], les limites suivantes ont été obtenues : M(squark) > 379 GeV/c 2
et M(gluino) > 308 GeV/c 2 pour tan(β)=3, A 0 =0, et μ = 2 jets + > = 1 tau + MET, provenant de la
désintégrations de paire de squarks. Les désintégrations hadroniques
Figure 2 : Contour d’exclusion a 95% C.L. dans le plan
(Mgluino,Msquark) pour tan(β)=3, A 0 =0, et μ

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des taus ont été considérées. La difficulté de cette analyse réside dans l’identification de ces taus dans un environnement
multijets, car les jets peuvent également être faussement identifiés comme des taus. L’analyse a été
effectuée à partir de 1 fb-1 de données enregistrées durant le RunIIa du Tevatron [2]. Des limites ont été obtenues
sur la masse des squarks, et on permis de contraindre un peu plus le modèle mSUGRA dans la région de l’espace
des paramètres privilégiant cette état final > = 2 jets + > = 1 tau + MET. C’est la première fois que cette topologie est
utilisée en collisionneur hadronique pour la recherche de la supersymétrie. Ces résultats sont complémentaires à
l’analyse générique de recherche des squarks-gluinos, et aux recherches de la supersymétrie dans le canal tri-lepton.
A la suite d’une étude de prospectives avec des théoriciens de Fermilab et de l’université de Cornell sur la recherche
de nouvelles particules, les T-quarks prédits par un modèle « Little Higgs », nous avons effectué en 2008 une analyse
utilisant 2,5 fb -1 de données dans le canal exclusif 2 jets +MET. Nos résultats ont permis d’exclure des T-quarks avec
des masses pouvant aller jusqu’à 404 GeV/c 2 [3]. C’est la première analyse donnant des limites directes a partir de
données de collisions sur un modèle « Little Higgs ». Les résultats de cette analyse ont également été utilisés pour
obtenir la limite, M(LQ) > 205 GeV sur la masse des leptoquarks scalaires dans l’hypothèse, BR (LQ-LQ → qνqν)
= 100%. Cette limite est également la plus élevée à ce jour.
- Higgs à 2 doublets
Poursuivant les activités liées à une thèse soutenue dans le groupe en 2003, le groupe a continué ses études du modèle
de Higgs à 2 doublets. D’une part en développant une analyse de recherche du boson de Higgs se désintégrant
en violant la saveur leptonique en tau et muon. Cette voie de désintégration peut être reliée au désaccord observé
entre théorie et expérience sur le moment magnétique anormal du muon. Une nouvelle collaboration a été initiée
avec le groupe théorie de l’IPNL pour prendre un compte les contraintes issues des limites sur la désintégration du
tau en muon + photon dans le cadre des modèles à 2 doublets de Higgs avec violation de la saveur leptonique.
Mesure de précision de la masse du boson W
Rentabilisant pleinement les investissements et l’expertise acquise sur le calorimètre, le groupe D0 de l’IPNL démarre
en 2009 une nouvelle activité sur la mesure de la masse du boson W avec les données du RunIIb. Ce travail
s’effectue en collaboration notamment avec les groupes français du LAL et du LPSC qui ont effectué cette mesure
avec les données du RunIIa. En utilisant 1fb-1 de données du RunIIa, la masse du W mesurée par D0 dans le canal
W → eν est : 80,401 ± 0,043 GeV/ c2. L’incertitude est limitée par l’échelle d’énergie des électrons, qui dépend uniquement
du nombre d’événements Z->ee utilisés pour déterminer cette échelle d’énergie. Cette incertitude diminue
donc en augmentant la statistique. La précision de cette mesure est un résultat capital pour tester la validité du
modèle standard, et pour contraindre indirectement la masse du boson de Higgs.
Références
[1] VM Abazov et al (D0 Collaboration), “Search for squarks and gluinos in events with jets and missing transverse
energy using 2.1 fb−1 of ppbar collision data at sqrt(s)=196 TeV”, Phys. Lett. B 660 (2008) 449.
[2] VM Abazov et al (D0 Collaboration), “Search for squark production with jets, hadronically decaying tau lepton
and missing transverse energy at sqrt(s)=196 TeV”, arXiv:/0905.4086[hep-ex], submitted to Phys. Lett. B.
[3] VM Abazov et al (D0 Collaboration), “Search for scalar leptoquarks and T-odd quarks in the acoplanar jet topology
using 2.5 fb-1 of ppbar collision data at sqrt(s)=196 TeV”, Phys. Lett. B 668 (2008) 357.
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