Measurement of the Brout-Englert-Higgs boson couplings in its diphoton decay channel with the ATLAS detector at the LHC

par Estelle Scifo

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Louis Fayard.

Le président du jury était Achille Stocchi.

Le jury était composé de Louis Fayard, Achille Stocchi, Aleandro Nisati, Chiara Mariotti, Guillaume Unal, Massimiliano Grazzini, Marc Escalier.

Les rapporteurs étaient Aleandro Nisati, Chiara Mariotti.

  • Titre traduit

    Mesure des couplages du boson de Brout-Englert-Higgs se désintégrant en deux photons par l'expérience ATLAS au LHC


  • Résumé

    Après la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS au LHC, annoncée le 4 juillet 2012 au CERN, l'heure est maintenant à la mesure des propriétés de cette nouvelle particule pour vérifier sa compatibilité avec le boson scalaire prédit par le Modèle Standard. Son couplage aux autres particules est une mesure importante car toute déviation par rapport à la valeur prédite par la théorie peut être le signe d'une nouvelle physique, au-delà du Modèle Standard. Cette thèse présente la mesure des couplages du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux photons, utilisant l'ensemble des données collectées en 2011 (4.5 fb^{-1} à 7 TeV) et 2012 (20.3 fb^{-1} à 8 TeV) par le détecteur ATLAS. Les événements sont classifiés en fonction des objets produits en association avec le Higgs : deux jets pour la production VBF, lepton et énergie transverse manquante pour le higgsstrahlung (WH et ZH) et jets de b pour le ttH, les événements restants étant produits majoritairement par le processus de production dominant ggH. L'impact de la modélisation du moment transverse du Higgs, dans son mode de production par fusion de gluons, est aussi estimé. Les derniers développements théoriques dans ce domaine permettent d'atteindre une précision à l'ordre NNLO+NNLL (QCD), avec la prise en compte de l'effet des masses finies des quarks top et bottom dans la boucle jusqu'à l'ordre NLO+NLL, implémentée dans le programme HRes. Une méthode de pondération est dérivée pour prendre en compte ces dernières avancées, en prenant en compte la corrélation avec le nombre de jets. Les résultats finaux sont en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard, en prenant en compte les barres d'erreur. A la masse mesurée par la combinaison des canaux diphoton et quatre leptons dans ATLAS, mH = 125.4 +/- 0.4 GeV, la section efficace totale ramenée à celle attendue par le Modèle Standard est : mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(théorie) et le rapport du nombre d'événements mesurés pour chaque mode de production à celui prédit par le Modèle Standard est : mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(théorie) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(théorie) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(théorie) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(théorie) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(théorie)


  • Résumé

    After the Higgs boson discovery in the first LHC data, the focus is now on its properties measurement. Among these properties, its couplings are of particular importance since any deviation from the expected value can be an indication of new physics, beyond the Standard Model. This thesis is oriented towards the Higgs couplings measurements with the ATLAS experiment, using the diphoton decay channel. Selected diphoton events are classified into different categories to disentangle the five Higgs production modes by tagging the objects produced in association with the Higgs boson: two jets for the VBF production mode, lepton and missing transverse energy for the higgsstrahlung (WH and ZH), b-jets for ttH, the remaining events being mostly produced via the dominant production mode ggH. The impact of the Higgs pT modelling in the ggH production mode is also investigated. Theoretical developments provide predictions of the pT shape at NNLO+NNLL accuracy, including top and bottom mass effects in the loop up to NLO+NLL, implemented in the HRes program. A reweighting technique to take into account these latest theoretical improvements is derived, taking into consideration the correlation with the number of jets. Its impact on the final measurement is estimated to be of the order of a few percent. The final couplings results, measured at the Higgs mass obtained by the combination of the H->gamma gamma and H->ZZ*->4l channels in ATLAS (mH = 125.4 +/- 0.4 GeV) do not show any statistically significant deviation from the Standard Model. The observed signal strength mu = sigma^{obs} / sigma^{exp} is found to be: mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(theory). The ratio of the observed number of events in each production mode to the expected ones are measured at: mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(theory) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(theory) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(theory) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(theory) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(theory)


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