Search for the Higgs boson decaying into tau lepton pairs with the Matrix Element Method and tau trigger optimization in the CMS experiment at the LHC

par Luca Mastrolorenzo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Florian Beaudette.

Soutenue en 2015

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Recherche du boson de Higgs se désintégrant en pair de taus avec la méthode de l’élément de matrice et optimisation des déclenchements pour les taus dans l’expérience CMS auprès du LHC


  • Résumé

    J’ai effectué ma thèse en physique des particules au laboratoire Leprince-Ringuet à l’École Polytechnique. J’ai participé à l’analyse des collisions proton-proton à 8 TeV produites par le Large Hadron Collider (LHC) et collectées par le détecteur CMS. La découverte du boson de Higgs a été un événement majeur pour la physique des hautes énergies car la masse des bosons vecteurs provient de leur interaction avec le champ de Higgs. Le couplage du boson de Higgs avec les leptons n’ayant pas encore été découvert, mon travail de thèse s’est articulé autour du canal de désintégration en pair de tau, car c’est le seul qui permet de mettre ce couplage en évidence. En effet, le boson de Higgs se désintègre beaucoup plus souvent en taus qu’en muons ou électrons. Cette analyse est difficile au niveau du déclenchement. En effet, l’important bruit de fond impose d’appliquer des seuils en énergie élevés. Un critère de déclenchement utilisant l’énergie transverse manquante pour abaisser le seuil sur les leptons a été introduit à la fin de la prise de données. Cette approche permet de récupérer 41% d’événements en plus. J’ai effectué une caractérisation exhaustive de ce déclenchement, et en particulier étudié les erreurs systématiques associées au niveau de l’analyse. Ce déclenchement a permis d’améliorer de 2% la limite d’exclusion dans le canal Higgs en tau-tau semi-leptonique. Au Run 2, l’énergie des collisions a été portée à 13 TeV et la luminosité va augmenter. Pour garantir un déclenchement efficace pour la physique, le premier niveau du système de déclenchement (L1) a été remplacé en se basant sur la technologie microTCA. Ce nouveau système permet un accès à des informations plus détaillées en provenance du détecteur. J’ai développé, pour ce nouveau système, un algorithme de sélection des taus basé sur un algorithme d’agrégation dynamique exploitant au maximum la granularité du calorimètre. J’ai mesuré ses performances en terme d’efficacité et de taux de déclenchement, et pour la première fois auprès d’un collisionneur hadronique, CMS disposera en 2016 d’un déclenchement efficace sur les taus au L1 avec un taux raisonnable. J’ai présenté ce travail sous forme de poster à la conférence ICHEP 2014. Dans la dernière partie de ma thèse, je me concentre sur la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de taus, en me concentrant sur le canal semi-leptonique et en introduisant pour la première fois la méthode des éléments de matrice (MEM) qui permet d’améliorer la sensibilité par rapport aux méthodes traditionnelles. Aucune analyse utilisant la MEM avec des taus n’a jamais été publiée. L’innovation dans ce travail consiste notamment dans le traitement de la désintégration des taus. La réponse du détecteur est quant-à-elle modélisée par des fonctions de transfert. Puis, j’ai du tenir compte des limitations numériques intervenants dans l’évaluation des intégrales multidimensionnelles à la base de cette méthode. Enfin, j’ai mesuré le gain en sensibilité apporté par la méthode sur les données à 8 TeV. Les performances dans le cadre de la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de tau de cette méthode pionnière sont très prometteuses, avec un rapport S/B amélioré d’un facteur 3, et constituent une référence pour l’analyse des futures données du Run 2 du LHC.


  • Résumé

    I performed my thesis work in Particle Physics at the Laboratoire Leprince-Ringuet of the Ecole Polytechnique. I have participated to the analysis of the 8 TeV proton-proton collisions produced by the Large Hadron Collider (LHC) and collected by the CMS experiment. The discovery of the Higgs boson has been a major breakthrough in particle physics as the mass of the vector bosons are explained through their interactions with the Higgs field. I worked on the newly discovered Higgs boson analysis. As its direct coupling to fermions remained to be exhibited, I focused on the search for the Higgs boson decaying in tau lepton pairs. The Higgs decay into a tau pair is the only channel allowing the couplings between the Higgs boson and the leptons to be measured. This is due to the large event rate expected in the Standard Model compared to the other leptonic decay modes. The Higgs boson decaying to tau lepton analysis is particularly challenging at the trigger level because the large background imposes high thresholds. I worked on a trigger that ran at the end of the data-taking using the missing transverse energy to lower the threshold on the single lepton. This approach allows the recovery of 41% of the signal events. Events with missing transverse momentum were selected in order to control the trigger rate. My personal contribution consisted in a thorough characterization of this trigger, including the measure of the associated uncertainty. The results of this approach led to an amelioration of 2% in the exclusion limits computed in the Higgs to taus semileptonic channel. For the Run 2, the center-of-mass energy of the LHC collisions has been increased to 13 TeV and the instantaneous luminosity will reach 2E34/cm2/s. To guarantee a successful and ambitious physics program under this intense environment, the CMS Trigger and Data acquisition system has been consolidated. In particular the Level 1 (L1, hardware based first level of the CMS trigger system) benefited from the recent microTCA technology allowing the calorimeter granularity to be better exploited with more advanced algorithms. Thanks to the enhanced granularity provided by the new system, an innovative dynamic clustering technique has been developed to obtain an optimized tau selection algorithm. I took the responsibility of developing a complete new tau trigger algorithm at L1 and measuring its performance. This original approach resulted in the first hardware tau lepton trigger efficient at a hadron collider with a sustainable rate. I had the opportunity to present a poster showing my work at the ICHEP-2014 conference, in Valencia and the proceedings were published in Nuclear Physics B afterwards. During my last year of PhD I focused on the Higgs decays into di-taus analysis, initiating the very first matrix element (ME) approach in this channel, starting with the most sensitive final state: the semileptonic decay mode. The aim is to increase the sensitivity of the analysis to the SM Higgs boson, with respect to the traditional methods. No ME-based analysis using tau leptons has ever been published. The novelty of my work is the treatment of the tau decay. In addition, I have derived a parameterization of the detector response through transfer functions. Finally, the numerical aspects related of multidimensional integrals computations have been tackled. I have fully characterized the method using simulated samples before applying it to the 8 TeV data. The performance in the context of the CMS Higgs into di-taus of this pioneering method are very promising, with a S/B ratio improved by a factor 3, and constitute a baseline for the analysis of the upcoming Run 2 data of the LHC.

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  • Détails : 1 vol. (296 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 151 réf.

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  • Disponible pour le PEB
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  • Cote : C1A 120/2015/MAS
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