Study of the EWK double Z production in the four leptons final state withthe CMS experiment at the LHC

par Philipp Pigard

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Claude Charlot.

Soutenue le 12-07-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie, Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Leprince-Ringuet / LLR (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Busson.

Le jury était composé de Claude Charlot, Sinead Farrington, Kerstin Borras, Dieter Zeppenfeld.

Les rapporteurs étaient Tiziano Camporesi, Matthias Schott.

  • Titre traduit

    Recherche de la production électrofaible de double Z dans l’état final àquatre leptons avec l’expérience CMS auprès du LHC


  • Résumé

    Cette thèse présente la première investigation expérimentale de la diffusion des bosons massifs (VBS) dans le canal ZZ où les deux bosons de Z se désintégrés en muons où électrons et sont associées avec deux jets hadroniques (ZZjj->lll’l’jj, l=e,mu). VBS constitue un processus clé dans la compréhension de la physique de la brisure de la symétrie électrofaible et le rôle du boson de Higgs découvert en 2012. Cette étude exploite 35.9fb-1 des collisions proton-proton enregistrés avec le détecteur CMS au Grand collisionneur des hadrons (LHC) à sqrt(s) = 13 TeV. Une analyse multivarié (MVA) est utilisée pour séparer le signal électrofaible du bruit de fond irréductible QCD et pour mesurer la force du signal mu, c'est-à-dire le quotient des nombres d'événements observés et celles attendues. La force du signal observé est de mu = 1.39 (+0.86 -65) et exclut l'hypothèse de l'absence d’un signal à 2.7 écart type (1.6 écart type attendue). Des limites sur la physique au-delà du modèle standard sont dérivés sur les couplages quartiques anomaux dans le cadre de la théorie des champs effectifs (EFT), résultant dans les limites les plus rigoureux sur les couplages des opérateurs T8 et T9.L’analyse VBS dans le canal ZZjj demande une modélisations exacte du signal et du bruit de fond irréductible, exigeant des nouveaux simulations. Des efforts intensifs sur la génération et comparaison des prédictions théoriques de plusieurs générateurs d'événements MC est présenté. La compréhension détaillée du signal et des bruit des fonds sont exploités pour développer et optimiser de façon systématique un arbre de décision boosté (BDT). Un classificateur basé sur les éléments de matrices et également développé et sa puissance comparé aux BDT, montrant des performances identiques. La technique d’extraction du signal par un fit des templates de tous les événements permets d’aussi contraindre la normalization du bruit de fond QCD par les données.Des analyses à quatre leptons comme la recherche pour le processus VBS dans le canal ZZ dépend de la capacité de reconstruire et identifier de façon efficace les leptons dans l'état final. Cette thèse présente des optimisations du algorithme multivarié d’identification des électrons utilisé dans les premiers données à 13 TeV en 2015. L'exploitation des variables liées aux traces des électrons permette une réduction de 50% du bruit de fond des électrons non-prompt. En suivant les changements dans la reconstruction des électrons et grâce à une optimisation continue des algorithmes, la performance dans l'identification des électrons a été maintenue pour les donnés enregistrés en 2016 malgré l’empilement plus sévère. La mesure d'efficacité de sélection d'électrons utilisées pour tous les études à multi-leptons dans CMS sont également documenté.


  • Résumé

    This thesis reports the first experimental investigation into vector boson scattering (VBS) in the the ZZ channel, where both Z bosons are required to decay into electrons or muons and are accompanied by at least two hadronic jets (ZZjj->lll’l’jj, l=e,mu). VBS is a key process in the elucidating the physics of electroweak symmetry breaking and the role of the recently discovered Higgs boson. The study analyses 35.9fb-1 of proton-proton collisions collected with the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV. A multivariate analysis (MVA) technique is exploited to separate the electroweak signal from the QCD irreducible background and to measure the signal strength mu, that is the ratio of the observed number of events to the standard model expectation. The observed signal strength is mu = 1.39 (+0.86 -65) which excludes the background-only hypothesis at 2.7 standard deviations (1.6 standard deviations expected). Limits on physics beyond the standard model are derived in terms of anomalous quartic gauge couplings in the effective field theory approach, providing the most stringent constraints to date on the couplings for the operators T8 and T9.The ZZjj VBS analysis requires an accurate modelling of the signal and irreducible background processes, going beyond the existing simulations. Extensive work on generating and comparing the theory predictions from several MC event generators is presented. The detailed understanding of the signal and background kinematics is used to develop and systematically optimize a boosted decision tree (BDT) classifier. A matrix-element discriminant is also developed and its classification performance compared to the BDT, finding comparable performance and indicating that the BDT is adequate. The final signal extraction technique via a template fit of all ZZjj events is designed to simultaneously constrain the normalization of the QCD background using the data.Multi-lepton analyses like the search for VBS in the ZZ channel depend on the ability to efficiently reconstruct and identify the final state leptons. This work presents the optimizations on the multivariate electron identification algorithms used in the first data at 13 TeV in 2015. A study on extending the use of tracking information in the MVA resulted in the reduction of the non-prompt electron background by up to 50%. Monitoring changes to the reconstructed electron objects and continuous optimizations allowed to improve or maintain the performance of the electron MVA ID algorithms, despite the harsher pile-up conditions in the 2016 data. The electron efficiency measurements used by the 2016 multi-lepton analyses in CMS are also documented.


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