Signaux électromagnétiques dans les collisions hadroniques au LHC

par Chi Linh Nguyen

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Philippe Guillet et de François Arleo.

Soutenue le 07-03-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-Le-Vieux de Physique Théorique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Michel Fontannaz.

Le jury était composé de François Arleo, Patrick Aurenche.

Les rapporteurs étaient David D'enterria, Matteo Cacciari.


  • Résumé

    Le LHC au CERN, qui est le collisionneur le plus puissant au monde, a été construit pour découvrir le boson de Higgs ainsi que des signaux de nouvelle physique. Mais au-delà de ces découvertes, les expériences auprès du LHC ont accumulé (et vont continuer à accumuler) une grande quantité de données qui pourront être utilisées pour accroître notre connaissance de la ChromoDynamique Quantique (QCD). Cette thèse est dans cette dernière ligne, elle contient deux parties qui utilisent des variables de corrélations pour contraindre les différentes entrées non perturbatives. La première partie concerne les contraintes pouvant être mises sur les fonctions de fragmentation (FF) en utilisant des variables de corrélation dans la production de hadron + jet. Les entrées non perturbatives pour les récentes FF ont été extraites des donnée e^+ e^- de LEP. Ces données mettent des contraintes sur les FF à petites valeurs de la variable de fragmentation x (x < 0.7), mais n'en donnent pas pour des grandes valeurs de x. Pour cette raison, les comportements des jeux de FF diffèrent de façon importante pour des grandes valeurs de x. Une analyse à l'approximation au-delà de l'ordre dominant (NLO) des corrélations hadron-jet dans les collisions p-p au LHC a été menée. Nous avons considéré deux cas : la corrélation entre un hadron et le jet de recul, et la corrélation entre un hadron et le jet qui le contient. Ces deux cas donnent des résultats similaires. Nous montrons que la production inclusive de hadrons chargés à l'intérieur d'un jet est une observable discriminante qui permet de différencier les différents jeux de FF disponibles. Nous étudions aussi le cas où l'on utilise des hadrons identifiés (kaons, protons). La deuxième partie concerne l'étude de la production associée de photon + jet de saveur lourde dans les collisions hadroniques au LHC et au Tevatron. Cette section efficace peut être utilisée pour contraindre les densités partoniques de saveurs lourdes dans le proton. Une étude antérieure avait montré qu'il y avait un grand désaccord entre les prédictions théoriques et les données expérimentales dans le cas de la production associée d'un photon et un jet de saveur charmée au Tevatron. Nous présentons trois façons de calculer cette section efficace dépendant de la manière dont est détecté le jet de saveur lourde. La première façon, appelée méthode de la masse invariante, a été utilisée pour retrouver les précédents résultats, la deuxième, appelée algorithme en kt avec saveur, utilise un algorithme de jet avec saveur qui permet de reconstruire des observables qui sont insensibles au domaine infrarouge. La troisième façon, appelée approche FF, utilise des fonctions de fragmentation de partons en hadrons de saveur lourde, la taille du jet est prise en compte à travers l'échelle de factorisation de l'état final. Les prédictions utilisant les trois façons sont données à l'approximation NLO en QCD perturbative. Elles ont été implémentées dans un programme construit à partir de JetPhox. En utilisant l'approche masse invariante, nous retrouvons les résultats précédents. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus en utilisant l'approche algorithme en kt avec saveur. Ces deux méthodes donnent des résultats théoriques qui sont trop bas comparés aux données expérimentales du Tevatron pour une saveur charmée. L'approche FF prédit une section efficace différentielle par rapport à l'impulsion transverse du photon (pt) d'environ 1,8 à 2,7 fois plus grande que celle obtenue en utilisant l'approche masse invariante pour des pt de 80 à 110 GeV au Tevatron. Ce résultat est en bon accord avec les données expérimentales. Des prédictions sont aussi présentées pour l'énergie du LHC utilisant les trois façons de calculer pour une saveur charmée ou belle.

  • Titre traduit

    Electromagnetic signals in hadronic collisions at the LHC


  • Résumé

    The LHC at CERN, which is the most powerful collider in the world, was designed to search for the Higgs boson and new physics signals. But besides these discoveries, the LHC experiments have collected (and will collect) a large amount of data that can be used to improve our knowledge about Quantum ChromoDynamics (QCD). This thesis is in this former line of research, It contains two parts which use correlation variables to constrain non perturbative inputs. The first part concerns the constraints which can be put on fragmentation functions (FFs) using momentum correlation variables in hadron+jet production. The non perturbative inputs for the recent FFs were extracted from the LEP e^+e^- collision data. These LEP data put constraints on the FFs at low fragmentation variable x (x < 0.7), but do not give constraints at larger x. Because of that, the behaviors of the FF-sets at high x differ strongly from one another. A next-to-leading order (NLO) analysis of hadron-jet momentum correlations in p-p collisions at the LHC is carried out. We consider two cases: the correlation between a hadron and an away-side jet, and the correlation between a hadron and the jet to whom the hadron belongs. These two cases give similar results. We show that the inclusive charged hadron momentum distribution inside jets is a very sensitive observable which allows one to disentangle among various fragmentation function sets presently available. Correlations using identified hadrons (kaons, protons) are investigated as well. The second part concerns the study of the associated production of photon + heavy-flavor tagging in hadronic collisions at the Tevatron and the LHC. This cross section is used to constrain the heavy-flavor partonic densities inside the proton. A previous theoretical calculation showed a large discrepancy between the predictions and the experimental measurements for associated production of photon + charm at the Tevatron. We present three ways to compute this cross section depending on how the heavy flavor is tagged in experiments. The first way, called the invariant mass approach, has been used to recover the previous results, the second one, called the kt-flavor algorithm, uses a flavor jet algorithm which leads to infra-red an safe observable. The third way, called FF approach, uses fragmentation functions of partons into heavy-flavor hadrons, the jet size being taken into account in the final state factorization scale. The predictions for the three ways are given in the NLO approximation of perturbative QCD. They have been implemented into a code which has been built from the JetPhox program. By using the invariant mass approach, the results of the previous theoretical calculation have been re-obtained. These results are comparable with the one using kt-flavor algorithm. These two approaches give theoretical predictions which are too low for the charm flavor compared to Tevatron results. The charm hadron FF approach predicts a differential cross section with respect to the photon transverse momentum (pt) about 1.8 -- 2.7 times greater than the one obtained using the invariant mass approach when pt ∼ 80 -- 110 (GeV) at the Tevatron. This result agrees well with the experimental data. Predictions are given at LHC energy using the different ways for charm flavor and bottom flavor.


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