Phenomenology of the Higgs at the hadron colliders : from the Standard Model to Supersymmetry

par Julien Baglio

Thèse de doctorat en Physique théorique

Sous la direction de Abdelhak Djouadi.

  • Titre traduit

    Phénoménologie du Higgs auprès des collisionneurs hadroniques : du Modèle Standard à la Supersymétrie


  • Résumé

    Cette thèse, conduite dans le contexte de la recherche du boson de Higgs, dernière pièce manquante du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et qui est une des plus importantes recherches auprès des collisionneurs hadroniques actuels, traite de la phénoménologie de ce boson à la fois dans le Modèle Standard (SM) et dans son extension supersymétrique minimale (MSSM). Après un résumé de ce qui constitue le Modèle Standard dans une première partie, nous présenterons nos prédictions pour la section efficace inclusive de production du boson de Higgs dans ses principaux canaux de production auprès des deux collisionneurs hadroniques actuels que sont le Tevatron au Fermilab et le grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, en commençant par le cas du Modèle Standard. Le principal résultat présenté est l'étude la plus exhaustive possible des différentes sources d'incertitudes théoriques qui pèsent sur le calcul : les incertitudes d'échelles vues comme une mesure de notre ignorance des termes d'ordre supérieur dans un calcul perturbatif à un ordre donné, les incertitudes reliées aux fonctions de distribution de partons dans le proton/l'anti--proton (PDF) ainsi que les incertitudes reliées à la valeur de la constante de couplage fort, et enfin les incertitudes provenant de l'utilisation d'une théorie effective qui simplifie le calcul des ordres supérieurs dans la section efficace de production. Dans un second temps nous étudierons les rapports de branchement de la désintégration du boson de Higgs en donnant ici aussi les incertitudes théoriques qui pèsent sur le calcul. Nous poursuivrons par la combinaison des sections efficaces de production avec le calcul portant sur la désintégration du boson de Higgs, pour un canal spécifique, montrant quelles en sont les conséquences intéressantes sur l'incertitude théorique totale. Ceci nous amènera à un résultat significatif de la thèse qui est la comparaison avec l'expérience et notamment les résultats des recherches du boson de Higgs au Tevatron. Nous irons ensuite au-delà du Modèle Standard dans une troisième partie où nous donnerons quelques ingrédients sur la supersymétrie et sa mise en application dans le MSSM où nous avons cinq bosons de Higgs, puis nous aborderons leur production et désintégration en se focalisant sur les deux canaux de production principaux par fusion de gluon et fusion de quarks $b$. Nous présenterons les résultats significatifs quant à la comparaison avec aussi bien le Tevatron que les résultats très récents d'ATLAS et CMS au LHC qui nous permettront d'analyser l'impact de ces incertitudes sur l'espace des paramètres du MSSM, sans oublier de mentionner quelques bruits de fond du signal des bosons de Higgs. Tout ceci va nous permettre de mettre en avant le deuxième résultat très important de la thèse, ouvrant une nouvelle voie de recherche pour le boson de Higgs standard au LHC. La dernière partie sera consacrée aux perspectives de ce travail et notamment donnera quelques résultats préliminaires dans le cadre d'une étude exclusive, d'un intérêt primordial pour les expérimentateurs.


  • Résumé

    This thesis has been conducted in the context of one of the utmost important searches at current hadron colliders, that is the search for the Higgs boson, the remnant of the electroweak symmetry breaking. We wish to study the phenomenology of the Higgs boson in both the Standard Model (SM) framework and its minimal Supersymmetric extension (MSSM). After a review of the Standard Model in a first part and of the key reasons and ingredients for the supersymmetry in general and the MSSM in particular in a third part, we will present the calculation of the inclusive production cross sections of the Higgs boson in the main channels at the two current hadron colliders that are the Fermilab Tevatron collider and the CERN Large Hadron Collider (LHC), starting by the SM case in the second part and presenting the MSSM results, where we have five Higgs bosons and focusing on the two main production channels that are the gluon gluon fusion and the bottom quarks fusion, in the fourth part. The main output of this calculation is the extensive study of the various theoretical uncertainties that affect the predictions: the scale uncertainties which probe our ignorance of the higher–order terms in a fixed order perturbative calculation, the parton distribution functions (PDF) uncertainties and its related uncertainties from the value of the strong coupling constant, and the uncertainties coming from the use of an effective field theory to simplify the hard calculation. We then move on to the study of the Higgs decay branching ratios which are also affected by diverse uncertainties. We will present the combination of the production cross sections and decay branching fractions in some specific cases which will show interesting consequences on the total theoretical uncertainties. We move on to present the results confronted to experiments and show that the theoretical uncertainties have a significant impact on the inferred limits either in the SM search for the Higgs boson or on the MSSM parameter space, including some assessments about SM backgrounds to the Higgs production and how they are affected by theoretical uncertainties. One significant result will also come out of the MSSM analysis and open a novel strategy search for the Standard Higgs boson at the LHC. We finally present in the last part some preliminary results of this study in the case of exclusive production which is of utmost interest for the experimentalists.


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