Diphoton measurements with the ATLAS detector at LHC : search for new resonances and study of diphoton production in association with jets

par Zuzana Barnovska

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Stéphane Jézéquel et de Marco Delmastro.

Soutenue le 29-09-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Lees.

Le jury était composé de Eric Pilon, Alessandro Tricoli.

Les rapporteurs étaient Kerstin Tackmann, Mauro Donegà.

  • Titre traduit

    Mesures dans l'état final diphoton au LHC avec le détecteur ATLAS : recherche des nouvelles résonances et étude de la production de paires de photons en association avec des jets


  • Résumé

    Cette thèse étudie les collisions pp à sqrt{s} = 8 TeV avec des paires de photons dans l'état final, telles que recueillies par l'expérience ATLAS au LHC au cours de 2012. L'état final avec diphoton s'est avéré cruciale pour la découverte du boson de Higgs. La motivation pour la recherche de résonances supplémentaires se désintégrant en deux photons est très forte en raison l'existence de nombreux modèles prévoyant un secteur de Higgs étendu. Dans le même temps, des mesures détaillées des sections efficaces diphoton sont nécessaires pour établir la précision des prédictions théoriques actuellement disponibles pour ces processus.La mesure des photons par ATLAS repose sur un excellent étalonnage de la réponse du calorimètre électromagnétique. Pour cette raison, les études liées à l'étalonnage de la réponse de photons dans le calorimètre Argon Liquide (LAr) sont initialement réalisées, y compris la mesure de l'étalonnage par rapport à l'échelle de l'énergie de la couche calorimètre utilisant des photons, et la nécessité éventuelle d'un inter-étalonnage de la réponse en énergie des photons en fonction de l'angle azimutal $phi$. Une étude de l'amplitude du bruit du calorimètre dans des conditions de pile-up élevés est également présentée, aboutissant à des recommandations pour les configurations d'échantillonnage d'impulsion LAr au Run2.La recherche d'une résonance supplémentaire se désintégrant en deux photons est effectuée et aucun signal n'est observé: une limite est mise sur la section efficace fiducielle d'une résonance multipliée par son rapport de branchement de désintégration en diphoton. La mesure de la section efficace de production de diphoton isolés en association avec des jets est effectuée en fonction de la masse invariante de diphoton, l'impulsion transverse du système diphoton, la différence d'angles dans le plan azimutal de l'angle entre les deux photons et l'angle theta de coplanarité, en fonction de la multiplicité en jets et de différentes variables associés aux jets. Les résultats sont comparés aux dernières prévisions QCD Next-To-Leading-Order QCD. Une telle mesure est la première du genre effectuée au LHC.


  • Résumé

    This thesis studies pp collisions at sqrt{s}=8 TeV with pairs of photons in the final state, as collected by the ATLAS experiment at the LHC during 2012. The diphoton final state has proven to be crucial to the discovery of the Higgs boson. The motivation for searching for additional resonances decaying into two photons is very strong due to many models predicting an extended Higgs sector. At the same time, detailed measurements of diphoton cross sections are necessary to establish the quality of the theoretical predictions currently available for these processes.The measurement of photons by ATLAS relies on an excellent calibration of the electromagnetic calorimeter response. For this reason, studies related to the calibration of the photon response in the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter are initially performed, including a measurement of the calorimeter layer energy scale relative calibration using photons, and the potential need of an inter-calibration of the photon energy response as a function of the azimuthal angle $phi$. A study of noise performance of the calorimeter in high pile-up conditions is also presented, resulting in recommendations for the LAr pulse sampling configurations for Run2.A search for an additional resonance decaying into two photons is performed, leading to no significant excess being observed. A limit on the fiducial cross section times branching fraction of a new resonance decaying into two photons is therefore computed. The measurement of the production cross section of isolated prompt diphoton in association with jets is performed as a function of the diphoton invariant mass, the transverse momentum of the diphoton system, the azimuthal angle difference of the two photons and the coplanarity angle theta, for jet multiplicity categories and as a function of various jet variables. The results are compared to the latest Next-To-Leading-Order QCD predictions. Such a measurement has not been previously published at the LHC.


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