Participation du LAPP

Physiciens : G. Coignet , J-J. Blaising , A. Degré , D. Duchesneau , Y. Karyotakis(->1996), D. Perret-Gallix,
S. Rosier-Lees, M. Vivargent (éméritat)
Ingenieurs, techniciens (temps partiel) : J. Ballansat, , M. Berthet, , B. Camberlin, F. Chollet-Leflour,
D. Dufournaud, J. Lesueur, G. Perrot.
Doctorants : A. Balandras , A. Boucham (->1996), F. Brochu, X. Chereau, I. Dorne (->1996),

I et III Inst. Aachen, NIKHEF Amsterdam, Univ. Michigan Ann Arbor, LAPP Annecy-Le-Vieux, Univ. Johns Hopkins Baltimore, IHEP Beijing, Univ. Humboldt Berlin, INFN Bologne, Tata Inst. Bombay, Univ. Boston, Univ. Northeastern Boston, IAP et Univ. Bucarest, CRIPH Budapest, Univ. Harvard Cambridge, MIT Cambridge, INFN et Univ. Florence, CERN Genève, FBLJA Genève, Univ. Genève, USTC Hefei, SEFT Helsinki, Univ. Lausanne, LANL Los Alamos, IPNL Lyon, CIEMAT Madrid, INFN Milan, ITEP Moscou, INFN et Univ. Naples, NIKHEF et Univ. Nimege, ORNL Oak Ridge, CALTECH Pasadena, INFN et Univ. Pérouse, CMUniv. Pittsburgh, Univ. Princeton, INFN et Univ. Rome, NPI St-Petersbourg, UC San Diego, DFFE Univ. Santiago de Compostele, BAS Sofia, CHEP Taejon, Univ. Alabama Tuscaloosa, Univ. Purdue West Lafayette, PSI Willigen, DESY Zeuthen, ETH Zurich, Univ. Hambourg, HEPG Taïwan.

En 1996 et 1997 le groupe du LAPP a poursuivi sa collaboration au sein de l'expérience L3 au LEP. Il a réparti son activité entre :

- la prise de données, incluant le contrôle de sous-ensembles du détecteur et la mise en oeuvre de nouveaux équipements,

- l'analyse des données pour l'étude de réactions spécifiques.

ACQUISITION DE DONNEES ; CONTROLE ET AMELIORATIONS DU DETECTEUR

Le groupe a contribué de façon active au fonctionnement du détecteur en prenant des responsabilités dans différents secteurs :

Poursuite de la surveillance en ligne, maintenance, calibration et analyse des données enregistrées par le détecteur électromagnétique composé de cristaux de Germanate de Bismuth (BGO).

Ce calorimètre est constitué de trois parties : un tonneau (7680 cristaux) et deux bouchons (2x1527 cristaux) laissant les régions angulaires de 37 à 42 degrés et 138 à 143 degrés non couvertes.

Afin d'améliorer l'herméticité du détecteur électromagnétique un calorimètre, le EGAP, composé de fibres de verre et de plomb a été construit. Il est composé de deux ensembles de 24 modules, chaque module comportant un millier de fibres scintillantes lues par deux phototriodes. Le LAPP a assuré la conception du détecteur, la réalisation de la chaîne d'électronique, ainsi que la coordination du projet.

Le EGAP (Fig.1) a été installé dans l'expérience au début de 1996. Le groupe du LAPP, en collaboration avec des physiciens de l'Université de Rome (INFN) a participé à sa mise en oeuvre ainsi qu'à sa calibration. La calibration globale s'effectue à l'aide d'événements . L'intercalibration des 96 canaux est basée sur l'utilisation des événements , une méthode développée au laboratoire.

Ce détecteur, qui a un rôle important pour l'étude des événements avec énergie manquante dans l'état final, en particulier dans la recherche de particules supersymétriques (voir plus loin) est maintenant utilisé dans la chaîne d'analyse de L3.

Pleine responsabilité du fonctionnement du système de Déclenchement de Deuxième Niveau pour l'acquisition des données de L3. Il a pour objet de collecter l'ensemble des données de déclenchement fournies par le Premier Niveau et de rejeter les événements de bruit de fond. Un nouveau système a été développé autour de la technologie de transputeurs proposée par SGS Thomson (Fig.2). Il est composé d'un réseau de 30 transputeurs T9000 (processeur RISC équipé de quatre liens d'Accès Direct de Mémoire et d'un système de gestion de canaux virtuels implémentés dans le silicium) interconnectés par deux routeurs dynamiques C104 (développé pour les télécommunications).

Il a été installé et est utilisé dans la prise de données de l'expérience depuis juillet 1995. Pendant l'arrêt du LEP de l'hiver 1996-1997 il a été modifié afin de lire les informations provenant de la partie interne du détecteur de traces et de rejeter le bruit de fond provenant de ce déclenchement additionnel. De plus les algorithmes existants ont été adaptés aux conditions de bruit de fond qui varient avec l'énergie du LEP. Le rejet effectif d'événements de bruit de fond varie ainsi de 30 % à 50 %. Les performances du réseau effectuant l'assemblage des événements ont été mesurées et présentées à deux conférences internationales.

Contrôle de l'acquisition globale des données ainsi que la coordination générale par un physicien du LAPP du fonctionnement du détecteur et de la prise de données.
 

ANALYSE DES DONNEES ET INTERPRETATIONS

En 1996 et 1997 le groupe du LAPP a contribué à l'analyse des données de L3 dans les domaines suivants :

- Fin de l'étude d'événements  entreprise précédemment.

- Etude des événements hadroniques et tests de la théorie QCD.

- Recherche de Particules Supersymétriques.

- Elaboration et amélioration de générateurs d'événements.

1) ETUDE D'EVENEMENTS 

Les études entreprises précédemment avec les données collectées à  (LEP1) sur la physique des quarks b signés par leur désintégration semi-leptonique, ont été menées à leur terme. Elles concernent:

- la mesure du rapport d'embranchement , et la participation d'un membre du LAPP au groupe de travail du CERN mis sur pied pour combiner les résultats des quatre expériences LEP.

- la mesure du paramètre de mélange  décrivant les oscillations . La méthode de comptage des leptons de même signe et de signes opposés a été utilisée.

- la mesure de l'Asymétrie Avant-Arrière, A_FB, de la production du quark b dans les désintégrations du Z. Cette mesure est spécialement intéressante car elle a permis d'obtenir la détermination la plus précise de sin² q_W un paramètre fondamental du Modèle Standard.

La recherche de la désintégration rare , spécialement intéressante car elle pourrait révéler la manifestation indirecte de nouvelle physique, a été finalisée. Une limite supérieure de ce rapport d'embranchement, consistante avec la valeur attendue dans le cadre du Modèle Standard a été obtenue. Ce travail constituait la partie principale de la thèse d' Isabelle DORNE présentée le 23 mai 1996.

2) ETUDE DES EVENEMENTS HADRONIQUES ET TESTS DE LA THEORIE QCD

La théorie des interactions fortes (QCD) prédit une dépendence de la constante de couplage  en fonction de l'énergie. Cette caractéristique se traduit par une modification de la structure des événements hadroniques en fonction de l'énergie impliquée lors de la production. L'augmentation progressive de l'énergie des faisceaux du LEP a permis d'étudier la valeur de la constante de couplage en fonction de l'énergie avec comme avantage important l'utilisation du même détecteur ainsi que la même méthode d'analyse à chaque point de mesure, et ainsi de s'affranchir de certaines incertitudes systématiques.

Cette étude a été démarrée par le groupe du LAPP à la fin 1995 et s'est poursuivie en étroite collaboration avec des physiciens de l'Institut TATA de Bombay. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l'évolution prédite par la théorie (la constante décroît quand l'énergie augmente) mais l'erreur statistique domine pour chaque point de mesure, sauf à l'énergie du Z. Pour compléter ces mesures, une étude originale, à laquelle a participé aussi le groupe du LAPP, a consisté à effectuer une mesure de la constante de couplage sur une gamme d'énergie plus étendue en utilisant les données enregistrées à LEP1. L'étude est basée sur les événements hadroniques dans lesquels un photon énergétique isolé a pu être identifié. Ceci a permis d'obtenir 6 points de mesure additionnels du couplage entre 30 GeV et 90 GeV dont les valeurs sont représentées avec les résultats de haute énergie (133 GeV, 161 GeV et 172 GeV) sur la figure 3. En faisant abstraction des erreurs systématiques corrélées, la dépendence en énergie du couplage a pu être ainsi démontrée à partir des résultats de l'expérience L3.

D'autre part un physicien du groupe du LAPP a contribué par une analyse indépendante à l'étude des événements à quatre jets dans l'état final dans les données collectées pendant une semaine, en 1997, à  = 130 GeV et  = 136 GeV. Cette nouvelle analyse, comme celle effectuée en 1995, a permis d'exclure la présence d'événements anormaux. Ce physicien a également représenté l'expérience L3 dans deux groupes de travail CERN chargés de rassembler les résultats obtenus par les quatre expériences LEP.

Fig. 3 : Valeurs d' obtenues à partir des distributions de la structure des événements

pour différentes énergies de centre de masse des collisions .

3) RECHERCHE DE PARTICULES SUPERSYMETRIQUES

Des problèmes de cohérence interne du Modèle Standard imposent de le considérer comme un modèle de basse énergie d'une théorie plus fondamentale : la SUperSYmétrie. Cette théorie prévoit l'existence de nouvelles particules : à chaque boson est associé un nouveau fermion, et à chaque fermion un nouveau boson. Les neutralinos , par ordre de masse, sont les partenaires supersymétriques des bosons , et de deux bosons de Higgs neutres. La plus légère de ces particules neutres, le , est supposée être stable et ne pas interagir dans le détecteur, alors que celles de masse plus élevée sont supposées se désintégrer en une paire de quarks, une paire de leptons ou un photon plus un neutralino plus léger, dans chaque cas.

L'étude de la désintégration  ou  qui avait été entreprise précédemment à LEP1 a fait l'objet de la thèse d'Abdel BOUCHAM qui a été soutenue le 26 avril 1996.

Avec les montées successives en énergie du LEP et l'accès à des domaines de masse de plus en plus élevée, la recherche de neutralinos produits dans la réaction  a été poursuivie. Elle a aussi été étendue à la recherche de charginos  partenaires supersymétriques du boson  et du boson de Higgs chargé , ainsi qu'à la recherche de leptons scalaires :  partenaires supersymétriques des e,. Comme toutes ces particules supersymétriques se désintègrent avec un  dans l'état final, elles ont été recherchées simultanément dans les réactions donnant les signatures suivantes:

- deux leptons et de l'énergie manquante,

- deux jets plus un lepton et de l'énergie manquante,

- quatre jets et de l'énergie manquante.

Les critères de sélection ont été optimisés en utilisant la simulation et la reconstruction Monte Carlo d'événements signaux et bruits de fond . La procédure d'optimisation mise au point permet de faire varier simultanément toutes les coupures pour maximiser l'efficacité du signal et la réjection du bruit de fond.

Les physiciens du groupe ont pris une part très importante, d'abord à l'analyse des données obtenues à  = 130-136 GeV, puis à  = 161 GeV et  = 172 GeV. Les résultats obtenus étant en accord avec ceux prédits par le Modèle Standard, des limites sur la section efficace de production des différentes particules supersymétriques ont été obtenues pour des valeurs de masses atteignant typiquement la limite cinématique de /2. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymétrique Minimal, de nouveaux contours d'exclusion dans l'espace des paramètres, ainsi que de nouvelles limites de masses de particules supersymétriques ont été déduites. En particulier, en utilisant toutes les analyses disponibles une limite sur la masse du neutralino le plus léger, candidat possible pour la matière noire, a été obtenue :

10,9 GeV

indépendante de la valeur des paramètres du modèle (Fig.4). Ce travail constitue la partie principale de la thèse de Xavier CHEREAU qui devrait être soutenue en 1998.

Fig. 4 : Limite sur la masse du neutralino le plus léger, , obtenue dans

Le groupe travaille actuellement sur l'analyse des données collectées en 1997 à  = 183 GeV avec une luminosité cinq fois supérieure à celle accumulée précédemment à chaque énergie.

De plus, un membre du groupe a assuré la coordination du groupe "Particules Supersymétriques"au sein de L3. Il a également représenté la Collaboration L3 dans le Groupe de travail du CERN ìSupersymétrie au LEPî regroupant des membres des quatre expériences ainsi que des théoriciens.

Enfin des membres du Groupe du LAPP participent depuis 1997, l'un en tant que membre du Conseil, l'autre en tant que coordinateur d'un groupe de travail, au Groupement De Recherche "Supersymétrie" du CNRS regroupant expérimentateurs et théoriciens français.

D) ELABORATION ET AMELIORATION DE GENERATEURS D'EVENEMENTS

Le groupe du LAPP joue un rôle important dans l'installation et l'utilisation de nouveaux générateurs d'événements développés dans le cadre du programme CADF (voir Calcul Automatique des Diagrammes de Feynman dans ce rapport).
 

Le générateur "GRC4F",  fermions, a été installé dans l'environnement logiciel de L3. Chacun des 76 processus individuels ou toute combinaison générique comme  jets ou  peut être produit en un seul traitement. La simulation et la reconstruction de ces événements dans le détecteur ont permis d'étudier les effets de masse des fermions ainsi que le rôle des diagrammes simplement résonants ou non résonants à une énergie proche du seuil de production de paires de W. Une étude détaillée des couplages anormaux au vertex à trois bosons dans la production de W unique a aussi pu être conduite grâce à la faculté de ce générateur de régulariser la divergence de violation de jauge due à l'introduction de la largeur du W.

D'autre part, le générateur PHOJET générant des événements  (interactions photon-photon) a été optimisé à l'aide des données collectées à  = 130-136 GeV en 1995. Cette étude est spécialement importante car ces événements constituent une source de bruit de fond pour la recherche de particules supersymétriques telles que charginos ou neutralinos se désintégrant dans les canaux hadroniques  ou .

Les performances de L3 pour la détection et la mesure des photons de basse énergie favorisent la recherche d'événements supersymétriques du type , donnant une signature de 1 gamma (ou plus) avec énergie manquante. Le bruit de fond principal provient des processus (SM)  n. Un générateur de ce type a été développé en utilisant les éléments de matrice  et  produits par GRACE. En addition, des photons de relativement basse énergie provenant de radiations dans l'état initial peuvent être créés en accord avec ceux plus énergétiques déjà comptabilisés dans l'élément de matrice.

Dans le cas , une étude a été menée sur les couplages anormaux possibles au vertex à trois bosons. Pour une sélection des paramètres  et  donnée, un échantillonnage d'événements a été généré et simulé, puis une minimisation avec re-calcul du poids de chaque événement sélectionné a été réalisé avec les données réelles. Cette méthode devrait conduire à une bonne estimation des limites sur les couplages anormaux.

STAGIAIRES

G. Fa f (printemps 1996), A. Balandras (printemps 1997), F. Brochu (printemps 1997),
R. Cron (printemps 1997).

L3 INTERNAL NOTES 1996-1997

Search for chargino at  = 130-140 GeV at LEP with the L3 detector.
G. Carlino, X. Chereau, G. Coignet and S. Rosier-Lees, L3 note 1897

Analysis Procedure in  search.
I. Dorne, Ludovici, M.Rescigno, L3 note 1910

Measurement of the quark charges using single and double hard photon radiation in hadronic Z decays.
D. Duchesneau, J.H. Field, R. Ostonen, M. Sarakinos, L3 note 1945

Study of Hadronic Events and Test of QCD at Reduced CM Energy 30 GeV <  < 86 GeV from Z Decays.
S. Banerjee, D. Duchesneau, S. Sarkar, L3 note 1958

QCD Studies and Determination of  at  = 161 GeV.
S. Banerjee, D. Duchesneau, S. Sarkar, L3 note 2022

The MPC Server for L3 Data Acquisition.
H.R. Hoorani, J.J. Blaising, L3 note 2038

Observation of Single W Boson Production at LEP
K. Freudenreich, A. Kunin, D. Perret-Gallix, G. Sultanov, L3 note 2045

QCD results at  = 161 GeV and 172 GeV.
S. Banerjee, D. Duchesneau, S. Sarkar, L3 note 2059
Measurement of the  Forward Backward Asymetry at the Z Resonance.
D. Sciarrino, S. Lees-Rosier, L3 note 2060

Study of Hadronic Events and Test of QCD at Reduced Centre of Mass Energies from Z Decays.
S. Banerjee, D. Duchesneau, S.Sarkar, L3 note 2084

Measurements of the   B⁰ -B⁰ bar Mixing Parameter.
D. Sciarrino and S. Rosier-Lees, L3 note 2113

The L3 second level Trigger implemented for LEP-II with the ST T9000 Transputer and the ST C104 asynchronous packet switch from SGS-Thomson.
J.J. Blaising, F. Chollet-Leflour, J.C. Cruz, G. Daguin, A. Degré, A. Masserot, G. Perrot, L3 note 2150
 

PARTICIPATIONS AUX GROUPES DE TRAVAIL "PHYSICS AT LEP2"

QCD event generators
D. Duchesneau, CERN 96-01, p.103, Vol.2.

Standard Model Processes.
D. Perret-Gallix, CERN 96-01, p. 209, Vol.1.

  Physics.
D. Perret-Gallix, CERN 96-01, p. 291, Vol.1, p.187, Vol.2.

Searches for New Physics.
S. Rosier-Lees, CERN 96-01, p.495, Vol.1.
 

PARTICIPATION AUX GROUPES DE TRAVAIL "CONCEPTUAL DESIGN OF 500 GEV e⁺e^- LINEAR COLLIDER AND X-RAY LASER FACILITY"

G. Coignet, DESY 1997-048 and ECFA 1997-182, p.111, Vol. 1.