Performances du calorimètre électromagnétique et recherche de nouveaux bosons de jauge dans le canal diélectron auprès du détecteur ATLAS

par Emmanuel Laisne

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Fabienne Ledroit et de Benjamin Trocmé.

Soutenue le 08-10-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (équipe de recherche) .

Le président du jury était Lucia Di ciaccio.

Le jury était composé de Fabienne Ledroit, Benjamin Trocmé, Daniel Fournier.

Les rapporteurs étaient Barbara Clerbaux, Dominique Fortin.


  • Résumé

    Le XXe siècle a marqué le succès de la construction du modèle standard de la physique des particules. Elaborée entre les années 1930 et 1970, cette théorie des particules élémentaires et des interactions électromagnétique, faible et forte a depuis été abondamment vérifiée auprès des collisionneurs tels que le LEP et le Tevatron. Malgré ce succès, certaines questions laissées en supsens ont nécessité l'élaboration de nouvelles théories permettant de dépasser le cadre du modèle standard. Parmi ces théories nombreuses sont celles prédisant l'existance d'un nouveau boson Z' à l'échelle du TeV. Les données du LHC, recueillies depuis son démarrage à l'automne 2008, offrent une nouvelle fois l'opportunité de confronter le modèle standard à ses prédictions et de rechercher les signatures de l'existence de nouvelle physique jusqu'à des énergies inégalées. Le travail mené au sein de l'expérience ATLAS au cours de ces quatres premières années s'est ainsi orienté autour de la compréhension du détecteur et de l'analyse des premières données. Cette thèse couvre ces deux aspects. La première partie du travail présenté revient ainsi sur la mise en évidence d'une pathologie de l'électronique de lecture du calorimètre à argon liquide d'ATLAS ainsi que sur l'étude de larges déviations cohérentes du bruit observées depuis sa mise en service. La mise en place d'une stratégie de préservation des données collectées y est détaillée. La seconde partie de ce manuscrit se concentre sur la recherche d'un nouveau boson Z'. Si tant est qu'une telle particule existe, sa décroissance en un électron et un positron devrait donner lieu à l'apparition d'une nouvelle résonance massive dans le spectre en masse invariante diélectron. Les performances de reconstruction et d'identification des électrons, particulièrement à haute impulsion transverse, sont étudiées. L'analyse des 4.9 fb-1 de données collectées en 2011 est décrite. En l'absence de déviation significative par rapport aux prédictions du modèle standard, le spectre en masse invariante diélectron est réinterprété afin de dériver les limites sur l'existence de nouveaux bosons issus de théories de grande unification (E6) et sur l'existence d'un boson de type SSM. Ces limites et celles obtenues par l'expérience CMS sont à l'heure actuelle les plus contraignantes quant à l'existence de ces nouveaux bosons.

  • Titre traduit

    ATLAS electromagnetic calorimeter performances and search for new gauge bosons in dielectron channel at the LHC.


  • Résumé

    The Standard Model of particle physics has known a tremendous rise during the twentieth century. Built up, from the early 1930s to the 1970s, this theory describing elementary particles and their interactions (electromagnetic, weak, strong) has now been intensivly tested by LEP and Tevatron colliders. Besides its succes, some problems remain and have lead to new theories attempting to go beyond the standard model. Many of them are predicting the existence of a new gauge boson Z', which is supposed to be observed at the TeV scale. Data recorded by the LHC since automn 2008 are a new opportunity to check the consistency of the Standard Model and to search for new physics evidence. Work that has been done by the ATLAS collaboration during the last four years has focused on understanding detector's behaviour and analysing the very first collected collisions. This thesis is reflecting these two aspects. Therefore, the first part of this thesis describes the caracterisation of a pathology of ATLAS liquid argon calorimeter electronics and of coherent noise bursts that have both been observed since the beginning of ATLAS operation. The policy deployed to preserve data quality is also detailled. The second part is focusing on the search for new Z' gauge boson. In case this particle was to exist, its decay into an electron and a positron would lead to a new massive resonance in the dielectron invariant mass spectrum. Therefore electron reconstruction and identification performances are closely looked at, especially at high transverse momentum. Analysis made on the 4.9 fb-1 of collected data is reported. As no significant excess with respect to Standard Model predictions is observed, the dielectron invariant mass spectrum is interpreted to derive mass limits concerning the existence of new Z' gauge bosons appearing in grand unification theories (E6) and effective sequential standard model (SSM). These limits and those derived by the CMS collaboration are the best ever set on such new bosons.


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