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L’identification d’événements avec HYPATIA

Il est maintenant temps pour vous de voir comment les événements décrits précédemment apparaissent dans le logiciel de visualisation d’événements HYPATIA. Vous utiliserez vos nouvelles connaissances pour caractériser des événements et identifier des particules élémentaires. Vous apprendrez à reconnaître les événements de type « signal » et à les séparer des événements de type « bruit de fond ». La galerie d’images ci dessous vous guidera à travers cette démarche.

Les événements avec 2 ou 4 leptons (des électrons et des muons) sont en général simples à identifier. Les événements avec 2 photons sont parfois plus compliqués, en particulier lorsque les dépôts d’énergie dans le calorimètre électromagnétique (ECAL) sont dans l’axe de traces laissées par des particules chargées dans le trajectographe interne.

processus de type “signal” (ou plus simplement les « processus signal »)

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• Dans les deux vues en coupe, vous pouvez voir de nombreuses traces dans le trajectographe ainsi que de l’activité (les boites jaunes) dans la première couche du calorimètre (la partie verte du schéma de détecteur). Ces éléments démontrent clairement la présence d’électrons.
• Beaucoup de traces sont visibles dans la vue de côté sur la première image ci-dessus. Afin de conserver seulement les particules ayant une haute impulsion transverse, on peut définir des "coupures". Ainsi, seules les particules dont l'impulsion transverse dépasse une valeur minimale donnée sont représentées. Ce seuil doit être défini : 25 GeV est une valeur raisonnable pour cette coupure. Son effet est visible sur la seconde image ci-dessus.
• En agrandissant la vue de face, on découvre une paire électron-positron (notez la différence de charge électrique) s’éloignant dans des directions opposées. L’impulsion transverse manquante est zéro : aucun neutrino n’est donc produit. Il s’agit d’un événement typique Z→e^- + e⁺.

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• Dans la vue de face comme dans la vue de côté on peut voir les traces de quelques particules. Il s’agit d’un événement typique observé dans le détecteur ATLAS. Il n’y a pas d’impulsion transverse manquante ce qui signifie qu’aucun neutrino n’a été produit. La vue de côté montre clairement deux muons qui se déplacent dans des directions opposées comme indiqué sur la vue de face.
• Comme le montre cette vue agrandie dans la direction du faisceau de protons, le muon et l'antimuon ont été émis dos à dos. Ces deux particules peuvent provenir d'une particule qui s'est désintégrée immédiatement après sa création.
• Sur cette image agrandie, les deux traces des muons sont clairement visibles. Si vous comparez leurs charges, vous verrez que l’une est positive et l’autre négative. Cela veut dire qu’une paire muon-antimuon a été détectée. C’est une signature claire de la production d’un boson Z.

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• Les deux vues de l'événement montrent de nombreuses traces dans le trajectographe ainsi que des dépôts d'énergie (en jaune) dans le calorimètre électromagnétique (zone verte dans le dessin du détecteur). Les deux tours jaunes dans le graphique "lego" en haut à droite correspondent aux deux dépôts les plus importants dans le calorimètre. Comme il n'y a pas de trace pointant en direction de ces dépôts, ils n'ont pas été laissés par des électrons mais par des photons, comme l'image suivante le confirme.
• Si l'on change la valeur minimale de l'impulsion transverse de 1 GeV à 5 GeV (une "coupure sur l'impulsion transverse pT") toutes les traces disparaissent. Passez maintenant de la visualisation "Track" à "Physics Object" dans la fenêtre "Track Momenta". Les objets physiques recensés sont asssociés au calorimètre et ce sont des photons car il n'y a pas de trace pointant dans leur direction. Lorsqu'on choisit le mode de visualisation "Physics Object", le logiciel propose des marques supplémentaires qui pointent vers les dépôts d'énergie dans le calorimètre - quand il y en a. L'image qui en résulte montre bien que nous sommes en présence d'un événement di-photon.
• Les deux photons peuvent maintenant être ajoutés dans la fenêtre de calcul de masse invariante en cliquant sur "Photon" dans la fenêtre "Track momenta". Cette paire de photons a une masse invariante de 110.1 GeV.

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• L'événement ci-dessus montre deux dépôts d'énergie importants dans le calorimètre (en jaune, un sur chaque vue) associés à deux tours dans le graphique "lego" en haut à droite.
• Après avoir appliqué une coupure à 5 GeV sur l'impulsion transverse, on peut voir que l'un des dépôts n'a pas de trace pointant dans sa direction tandis que l'autre est aligné avec une trace double (voir le zoom ci-dessus). Ces deux traces (numérotées 45 et 46) ont une masse invariante faible, M(e+e-) =0.2 GeV, compatible avec un photon converti lors d'une interaction avec de la matière formant le détecteur. Et effectivement ces deux traces disparaissent si l'on se restreint aux traces ayant laissé au moins deux coups dans le détecteur de pixel (voir l'image ci-dessous).
• La paire électron-positron pointant vers l'un des deux dépôts dans le calorimètre électromagnétique disparaît si l'on demande au moins deux coups dans le détecteur de pixel (voir la figure ci-dessus). Et qu'en est-il de l'autre paire de traces chargées visible dans cet événement ? Elle n'est associée à presque aucun dépôt d'énergie dans le calorimètre et les deux traces ont une charge électrique de même signe. Il s'agit donc sans doute de traces aléatoires qui peuvent être ignorées. Et couper à 10 GeV sur l'impulsion transverse pT les ferait effectivement disparaître. Les deux objets du calorimètre identifiés comme des photons ont une masse invariante M(γγ)=100.1GeV.

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• Cet événement présente de nombreuses traces dont deux sont clairement des muons qui interagissent avec le spectromètre à muons (observer les deux images de l'événement). Il contient également deux dépôts d'énergie importants dans le calorimètre (représentés par les tours jaunes dans le graphique "lego" en haut à droite), probablement alignés avec des traces. Continuons notre analyse.
• Lorsqu'on augmente à 12 GeV la coupure sur l'impulsion transverse pT au moyen de la fenêtre de contrôle ("Control Window"), seules cinq traces sont conservées, dont les deux muons de charges opposées et une paire électron-positron. Cette dernière est clairement associées aux deux dépôts d'énergie dans le calorimètre. En fait chacune des paires provient de la désintégration d'un boson Z : M(ee)=89.6 GeV and M(μμ)=91.1 GeV. Il s'agit donc d'un événement ZZ qui produit au final quatre leptons dont la masse invariante vaut M(4l)=291 GeV.

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• Cet événement contient seulement quatre traces une fois appliquée une coupure à 5 GeV sur l'impulsion transverse pT. Et chaque trace pointe en direction d'un dépôt d'énergie dans le calorimètre. Les deux paires proviennent chacune de la désintégration d'un Z : M(ee)=89.9 GeV and M(ee)=87.6 GeV. Il s'agit donc d'un événement ZZ donnant quatre électrons dont la masse invariante vaut M(4l)=229.7 GeV.

processus de type “bruit de fond » (ou plus directement processus de bruit de fond)

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• Cet événement se démarque des événements « signal » de deux manières : 1. une gerbe de particules est visibles et 2. la valeur de l’impulsion transverse manquante est trop faible pour qu’un ou plusieurs neutrinos aient été détectés.
• Les deux vues agrandies et montrées avec la loupe montrent clairement le paquet de particules.
• Cette image montre la vue agrandie d'un autre événement. Ici vous pouvez voir deux points de collision séparés approximativement par 60 centimètres et indiqués par des cercles rouges. Vous avez maintenant une idée de la difficulté pour identifier des vrais événements.

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• Notez la valeur importante de l'impulsion transverse manquante dans cet événement: 38 GeV. Cela démontre qu’un neutrino a été produit. Les deux vues de côté et de face montrent également une trace chargée.
• La vue de face agrandie montre clairement un muon (ou antimuon). Sa trace dans le trajectographe est dans la direction opposée à la ligne rouge en pointillés. C'est un élément important en faveur de la désintégration d'une particule W en un muon (qui se déplace vers la gauche sur l'image) et un neutrino (qui part vers la droite).

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• Dans cette vue en coupe vous pouvez voir la signature laissée par un électron avec une haute impulsion transverse et un neutrino (MET = 39 GeV) émis dans la direction opposée. L'électron isolé est aussi bien visible sur la vue de côté.
• L'information sur la trace laissée par le lepton nous dit que c'est vraiment un électron (regardez en particulier le signe négatif).