Search for new physics with two photons in the final state with the ATLAS detector

par Yee chinn Yap

Thèse de doctorat en Physique. Physique de l'Univers

Sous la direction de Lydia Roos.

Le président du jury était Sotiris Loucatos.

Le jury était composé de Abdelhak Djouadi.

Les rapporteurs étaient Beate Heinemann, Paraskevas Paris Andreas Sphicas.

  • Titre traduit

    Recherche de nouvelle physique dans des états finals à deux photons avec le détecteur ATLAS


  • Résumé

    Le sujet de cette thèse est la recherche de signaux de physique au-delà du modèle standard,dans le canal de désintégration en deux photons, dans les collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS à des énergies dans le centre de masse de √s = 8 TeV en 2012 et√s = 13 TeV en 2015 et 2016.Une étude de faisabilité de la recherche d’un boson pseudo-scalaire A se désintégrant en un boson Z et un boson de Higgs d’une masse de 125 GeV est présentée. Cette étude est effectuée dans le contexte de modèles prédisant deux doublets de Higgs. L’état final recherché est constitué de deux jets hadroniques et deux photons et les données utilisées sont celles enregistrées en 2012 `a √s = 8 TeV, correspondant `a une luminosité intégrée de 20.3 fb−1. La sensibilité attendue est comparable `a celle atteinte avec une autre recherche effectuée dans la collaboration ATLAS, basée sur l’état final constitué d’une paire d’électrons ou muons et d’une paire de leptons τ . En revanche, elle est inférieure à celle des études dans lesquelles le Higgs est recherché dans sa désintégration en une paire de quarks beaux.La recherche de nouvelles résonances de haute masse se désintégrant en deux photons dans les collisions `a 13 TeV est également présentée. Les échantillons analysés correspondent à des luminosités intégrées de 3.2 fb−1 en 2015 et 12.2 fb−1 en 2016. Deux études sont développées :l’une est optimisée pour la recherche, aussi générale que possible, d’une particule de spin 0; la seconde cible une particule de spin 2 telle que le graviton prédit par le modèle de Randall-Sundrum. Une attention particulière est portée `a la compréhension et la paramétrisation de la forme de la résonance dans l’hypothèse où celle-ci aurait une largeur naturelle non négligeable.L’analyse des données enregistrées en 2015 conclut `a l’observation d’un léger excès autour d’une masse de 750 GeV, d’une largeur d’environ 45 GeV, et dont la significativité statistique locale est estimée à 3,9 et 3,8 écarts standard selon le spin de la résonance recherchée. La significativité globale est estimée à 2,1 écarts standard. L’analyse des données enregistrées en 2016 ne mène à l’observation d’aucun excès significatif. Des limites sur le produit de la section efficace de production d’une résonance par le taux de désintégration en deux photons sont établies : pour une résonance de spin nul, elles vont de 12 fb (51 fb) `a une masse de 200 GeV `a 0,2 fb (0,3 fb)`a 2400 GeV, dans l’hypothèse d’une largeur naturelle de 4 MeV (10% de la masse). Une étude de la reconnaissance des photons se convertissant en une paire électron-positon avant d’interagir avec les calorimètres, basée sur la forme de la gerbe électromagnétique détectée est également documentée. Cette étude a deux objectifs : d’une part, améliorer l’identification des photons convertis dans le contexte de taux d’empilement élevés ; d’autre part, fournir une méthode d’identification basée sur des informations indépendantes (calorimétriques) de celles utilisées par la méthode standard (trajectoires des particules chargées) afin d’évaluer les performances de cette dernière.


  • Résumé

    This thesis reports on the search for new physics in the diphoton decay channel with the protonprotoncollision data collected by ATLAS at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV in 2012and √s = 13 TeV in 2015 and 2016.A feasibility study of the search for a pseudoscalar A decaying to a Z boson and a 125 GeVHiggs boson in the context of an extended Higgs sector, namedly the two-Higgs-doublet models,is presented. The search is performed with a final state of two jets and two photons using20.3 fb−1 of data at √s = 8 TeV. The expected sensitivity is found to be competitive with theanalysis with a final state of two electrons or muons and two τ leptons, but less sensitive to theother searches with the Higgs decaying to a pair of b-quarks.Search for high mass resonances decaying to two photons at √s = 13 TeV is also presented.The analysed dataset corresponds to an integrated luminosity of 3.2 fb−1 in 2015 and 12.2 fb−1in 2016. Two searches are performed: one optimised for a generic spin-0 particle, and theother for a spin-2 particle using Randall-Sundrum graviton model as benchmark. Particularattention is paid to the understanding and the parameterisation of the line shape of a largewidthresonance. In the search using the collision data recorded in 2015, a moderate excess wasobserved at a diphoton invariant mass around 750 GeV with a best-fit width of around 45 GeV,corresponding to a local significances of 3.8-3.9 standard deviations, depending on the spin ofthe resonance being searched for. The global significances are estimated to be 2.1 standarddeviations. The search is updated with 2016 data and no significant excess is observed. Limitson the production cross-section times branching ratio to two photons for the two resonancetypes are reported: for a spin-0 resonance, the fiducial cross-section ranges from 12 fb (51 fb) at200 GeV to 0.2 fb (0.3 fb) at 2400 GeV, with the narrow (10% of the mass) width hypothesis.A part of this document is also devoted to the study of photons that convert into electronpositronpairs before entering the calorimeter using their electromagnetic shower information.The conversion study has two objectives: improving the identification of photon conversion athigh pile-up rate and providing an orthogonal classification method to assess the performanceof the standard track-based algorithm.


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