La reconstruction et l'identification des photons dans l'expérience CMS au LHC : applications à la recherche de bosons de Higgs dans le canal H $\rightarrow \gamma\gamma$

par Hugues Brun

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Susan Gascon-Shotkin.

Soutenue le 29-02-2012

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut de Physique Nucléaire de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Bernard Ille.

Le jury était composé de Susan Gascon-Shotkin, Florian Beaudette, Tommaso Tabarelli de Fatis, Marumi Kado.

Les rapporteurs étaient Claude Charlot, Bertrand Laforge.


  • Résumé

    Le Modèle Standard de la physique des particules explique avec succès les données expérimentales. L'origine de la masse des bosons W et Z est expliquée à l'aide du mécanisme de Higgs qui permet de briser la symétrie de jauge de l'interaction électro-faible. Cependant ce mécanisme prédit l'existence d'une particule, appelée le boson de Higgs, qui n'a pas été observée pour l'instant. Cette particule est recherchée au LHC en particulier dans les expériences ATLAS et CMS. Les premiers résultats utilisant les données du LHC permettent d'exclure, avec un niveau de confiance de 95%, un boson de Higgs qui aurait la section efficace du Modèle Standard entre 128 et 600 GeV/c$^2$ et les résultats plus anciens du LEP ont exclu un boson de Higgs plus léger que 114.4 GeV/c$^2$. Dans l'intervalle de masse restant, le canal de désintégration du Higgs en deux photons est le canal idéal pour la recherche du boson de Higgs car, malgré son faible rapport d'embranchement (environ quelques pour mille) et grâce à son état final clair, il permet d'obtenir une résonance de faible largeur dans le spectre de masse invariante des événements di-photons. La manière dont un photon est reconstruit dans CMS sera d'abord décrite et la compréhension de cette reconstruction avec les premières données du LHC présentée. Du fait de la faible largeur de la résonance du boson de Higgs à basse masse, un grand intérêt doit être porté à la résolution sur l'énergie des photons. C'est pourquoi, nous étudierons les corrections apportées à cette énergie. Ensuite, comme les pions neutres qui se désintègrent en deux photons sont le principal bruit de fond aux photons dans les données, nous verrons comment utiliser la forme du dépôt d'énergie dans le calorimètre électromagnétique de CMS à l'aide d'un réseau de neurones artificiels pour discriminer ces pions neutres des vrais photons. La chromodynamique quantique est la source d'un large nombre d'événements di-photons qui forment la majorité du bruit de fond à la désintégration du boson de Higgs. La mesure de la section efficace de ces processus et de leur cinématique aide aussi à la compréhension du Modèle Standard. La possibilité d'utiliser le pouvoir discriminant du réseau de neurones pour mesurer le nombre d'événements diphotons dans les données, a été étudiée. Les mésons neutres sont aussi un bruit de fond pour les photons issus de la désintégration du boson de Higgs. L'amélioration de l'identification à l'aide d'une coupure sur la variable de sortie du réseau de neurones a donc été évaluée : la conséquence de cette amélioration en termes de limite sera présentée sur le premier 1.6fb$^1$ des données de 2011 enregistrées par l'expérience CM

  • Titre traduit

    The photon reconstruction and identification in the CMS detector : Higgs boson search in the two photons decay channel with the CMS experiment at LHC


  • Résumé

    The Standard Model of particle physics successfully explains the majority of experimental high energy physics data. The masses of the W and Z, the vector bosons of the electroweak theory, are explained with a spontaneous breaking of the gauge symmetry. This symmetry breaking is performed, using the Higgs mechanism, by introducing a new scalar field, whose quantum, the Higgs boson, is intensively searched at LHC. Theoretical considerations suggest that the mass of the Higgs boson should be lower than 1 TeV/c$^2$ and the fit of precision electroweak measurements constrains the Higgs boson mass to be less than 158 GeV/c$^2$. Direct searches at LEP have excluded the Higgs boson with masses lower than 114.4 GeV/c$^2$, and direct searches at the Tevatron have led to an exclusion of masses between 147 and 180 GeV/c$^2$. The fit of precision electroweak measurements constrains the Higgs boson mass to be less than 158 GeV/c$^2$ (all these limits are at the 95% confidence level). The photon reconstruction in CMS is detailed in this thesisand its understanding with the first LHC data will be shown. Because of the narrow Higgs resonance, a particular attention as to be put on the photon energy resolution. Neutral pions decaying in two photons are the main background to the prompt photons: the possibility of using a neural network based on shower shape in ECAL is studied. These neutral mesons are also one important background to the photons from Higgs boson decay. The improvement of the photon identification, thanks to a cut on the neural network output, is evaluated: the result in term of limits for the first 1.6fb$^1$ of 2011 data is presented


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