Study of the Higgs boson decay into b-quarks with the ATLAS experiment - run 2

par Charles Delporte

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Jean-Baptiste De Vivie.

  • Titre traduit

    Etude du boson de Higgs dans son canal de désintégration en quarks beauté avec l’expérience ATLAS au run 2 du LHC


  • Résumé

    Dans ce manuscrit sont décrits trois aspects de mon travail de thèse auprès de l’expérience ATLAS. Le premier est consacré à l’extraction des corrections sur l’étiquetage de jets issus de quarks beauté, appliquées aux simulations afin de mieux décrire les données expérimentales. Le second est l’étude de la désintégration du boson de Higgs en paire de quarks beauté. Le dernier aspect est la recherche de nouvelle physique à travers l’interaction d’un quark top et d’un boson de Higgs. Mon implication dans la collaboration ATLAS a commencé avec la mise `a jour de la calibration pseudo continue des techniques d’identification de jets issus de quarks beauté (b-jets). La calibration pseudo continue de l’étiquetage des b-jets (b-Tagging) dans l’expérience ATLAS a été développée durant le run 1 du LHC. Une mise à jour du code a été effectuée. Les incertitudes sur la calibration pseudo continue du b-Tagging sont dominées par les sources d’erreur systématique. Le second sujet de la thèse est la recherche du boson de Higgs dans son canal de désintégration en quarks beauté, produit en association avec un boson vecteur (VH(bb)). J’ai notamment participé à l’étude du canal pp ! ZH, dans lequel un boson Z se désintègre en neutrinos. L’analyse a été optimisée respectivement à l’expérience acquise au cours du run 1 du LHC. Plusieurs idées ont été explorées afin d’améliorer l’analyse multivariée. L’évidence du processus VH(bb) a ´ et ´e obtenue avec les données collectées en 2015 et 2016. La force du signal (rapport des sections efficaces mesurée et prédite) a été mesurée à ˆμV H = 1.20+0.24 −0.23(stat.)+0.34 −0.28(syst.), ce qui correspond `a une significance observée de 3.5 significations statistiques. L’incertitude sur ce résultat est dominée par des sources d’erreur systématique. En conséquence, plusieurs études ont été menées afin de mieux comprendre certains aspects de ce résultat. Une attention particulière a été apportée à la simulation des processus de bruit de fond dans le but d’améliorer l’efficacitée de génération des simulations Monte-Carlo. Aussi, l’utilisation de nouvelles variables liées au flux de couleur entre les deux quarks beauté (colourflow) dans la recherche du processus VH(bb) semble apporter un gain limité dans la rejection des processus de bruit de fond avec les performances actuelles de reconstruction des jets. L’analyse a été menée en ajoutant les données collectées en 2017, et a conduit à l’observation non ambigüe du signal de désintégration du boson de Higgs en quarks beauté. Enfin, la dernière étude présentée est une révision de la recherche du signal d’un quark top dans sa désintégration en quark up ou charm et un boson de Higgs se désintégrant en paire de photons. Ce processus est interdit avec un vertex unique dans le Modèle Standard, et largement supprimé dans les canaux impliquant des boucles, avec un taux d’embranchement de 10−15, ce qui en fait un canal pertinent dans la recherche de nouvelle physique. L’analyse est conçue afin de différencier les couplages et en ciblant à la fois les modes de production d’un unique quark top, ou d’une paire de quarks top, et en exploitant les techniques d’identification de c-jets dans la catégorisation. L’utilisation de variables cinématiques a été développée, et des méthodes multivariées mises en oeuvre dans l’analyse. Les premières perspectives de résultats attendus sont présentées. Les données collectées au cours du run 2 du LHC devraient permettre à l’analyse d’être sensible à un taux d’embranchement inférieur à 1 et pourrait apporter les premières contraintes sur certains modèles de physique au-delà du modèle standard.


  • Résumé

    In this thesis, three aspects of my work within the ATLAS experiment are described. The first one is dedicated to the extraction of correction factors to be applied on the simulation to match the data. The second is the analysis of the Higgs boson decay to a pair of b-quarks. The last one is a search for BSM in the interaction between a top quark and the Higgs boson.My implication in the ATLAS collaboration started with updates of the pseudo-continuous calibration of b-jets flavour identification. The pseudo-continuous calibration of b-Tagging in the ATLAS experiment was developed during the run 1 of the LHC. An update of the framework was performed, and calibration results have been produced. The uncertainties on the pseudo-continuous b-Tagging calibration are dominated by systematic sources.The second topic of the thesis is the search for a Higgs boson decaying into beauty quarks, produced in association with a vector boson. I was especially involved in the channel looking for a Z boson decaying into neutrinos. The analysis was optimised with respect to the experience acquired during the run 1 of the LHC. Many ideas have been explored in order to improve the multivariate analysis. The evidence for the VH(bb) process was presented using data collected in 2015 and 2016. The signal strength is measured to ˆμV H = 1.20+0.24 −0.23(stat.)+0.34 −0.28(syst), which corresponds to an observed significance of 3.5 standard deviations. The uncertainty on this result is dominated by systematic sources. Hence, several studies have been performed in order to better understand specific aspects of this result. A special attention was given to the modelling of background processes to improve the generation efficiency of Monte-Carlo simulation. Also, the use of coulourflow in the VH(bb) search appears to provide a limited gain in the rejection of background processes with the current jet reconstruction performances. The analysis was updated adding data collected in 2017, and lead to the observation of the Higgs boson decay into beauty quarks.At last, the final study presented in this work is a major revision of the search for a top quark decaying into an up-type ( = , ) quark and a Higgs boson decaying into two photons. This process is forbiden at tree level in the SM and highly supressed at loop level, with an expected branching ratio of 10−15, making it a very good probe for BSM physics. The analysis is now designed in order to disentangle the and couplings by targeting both the single- and pair-production modes of top quarks, and exploiting c-tagging in the categorisation. The use of kinematic variables was developped, and multivariate methods have been implemented in the analysis. Preliminary prospect results are presented. With the set of data accumulated by the end of the LHC run 2, the analysis will be sensitive to branching ratio below the permil level and could provide the first constraints on realistic BSM models.


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