Reconstruction of leptonic physic objects at future e+e- Higgs factory

par Dan Yu

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Vincent Boudry et de Manqi Ruan.

Le président du jury était Zhiqing Zhang.

Le jury était composé de Vincent Boudry, Manqi Ruan, Florian Beaudette.

Les rapporteurs étaient Mark Thomson, Luca Malgeri.

  • Titre traduit

    Reconstruction des objets leptonique dans future e+e- usine de Higgs


  • Résumé

    Le modèle standard des interactions entre particules élémentaires est la réalisation exceptionnelle des quarante dernières années d'activité expérimentale et théorique en physique des particules. Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences du Large Hadron Collider (LHC), la mesure précise est devenue le défi dans les expériences de physique des hautes énergies.De nombreuses usines de Higgs électron-positon avec une précision améliorée sur les mesures de largeur totale de Higgs ont été proposées, y compris le collisionneur linéaire international (ILC) et le collisionneur à électrons positrons circulaires (CEPC).Le programme de physique de Higgs à réaliser dans les futurs collisionneurs $ e^{+}e^{-} $ a été évalué et son degré de précision de nombreux couplages est estimé à des niveaux de pourcentage ou de sous-pourcentage.Afin d'atteindre cette précision, l'utilisation de l'algorithme de flux de particules (PFA) est devenue le paradigme de la conception de détecteurs pour la frontière à haute énergie. L'idée clé est de reconstruire chaque particule d'état finale dans les sous-détecteurs les plus adaptés, et de reconstruire tous les objets physiques au-dessus des particules d'état finales. Les détecteurs orientés à PFA ont une grande efficacité dans la reconstruction d'objets physiques tels que les leptons, les jets et l'énergie manquante.L'identification du lepton est essentielle pour les programmes de physique, en particulier pour la mesure précise du boson de Higgs.Dans cette thèse, une identification par lepton basée sur PFA (Lepton Identification pour calorimètre à haute granularité) a été développée pour des détecteurs utilisant des calorimètres à haute granularité.Utilisation de la géométrie du détecteur conceptuel pour le CEPC avec granularité calorimétrique typique de 1000 et 400 cellules / dm³ pour les parties électromagnétiques et hadroniques respectivement, et les échantillons de particules chargées uniques d'énergie supérieure à 2 GeV, LICH identifie les électrons ou les muons avec des rendements supérieurs à 99,5% et contrôle le taux de désinscription du hadron aux muons ou aux électrons 1% ou 0.5 %. Réduisant la granularité du calorimètre de 1 ou 2 ordres de grandeur, la performance d'identification du lepton est stable pour les particules avec E > 2 GeV Appliquée à des événements $eeH$ ou $ mumu H$ simulés à $ sqrt{s} = 250 $ GeV, la performance d'identification du lepton est cohérente avec le cas d'une seule particule: l'efficacité d'identifier tous les leptons de haute énergie dans un événement est de 95,5 $ sim $ 98,5 %. Contrairement aux muons et aux électrons, les $ au $ 's sont des objets de physique extrêmement intrigants car leur couplage de Yukawa au boson de Higgs est relativement important. En raison de leurs riches produits de désintégration, des propriétés telles que les paramètres Higgs CP et EW dans une Z-factory. Les produits $ au $-decay dans les collisionneurs de haute énergie sont étroitement collimatés et ont une faible multiplicité, fournissant d'excellentes signatures à sonder. Dans cette thèse, les canaux H $ightarrow $ $ au au $ sont analysés dans différents modes de désintégration Z avec le contexte SM pris en compte. La précision finale combinée de $ sigma imes Br (Hightarrow au au) $ devrait être de 0.89 %.


  • Résumé

    The Standard Model of elementary particle interactions is the outstanding achievement of the past forty years of experimental and theoretical activity in particle physics. Since the discovery of the Higgs boson in 2012 by the experiments at the Large Hadron Collider (LHC), the precise measurement has become the issue in high energy physics experiments.Many electron-positron Higgs factories with better accuracy on the Higgs total width measurements have been proposed, including the International Linear Collider (ILC) and the Circular Electron Positron Collider (CEPC).The Higgs physics program to be carried out at the future $e^{+}e^{-}$ colliders have been be evaluated and its extent of the precision of many of couplings are estimated to percent or sub-percent levels.In order to achieve this precision, the Particle Flow Algorithm (PFA) has become the paradigm of detector design for the high energy frontier. The key idea is to reconstruct every final state particle in the most suited sub-detectors, and reconstruct all the physics objects on top of the final state particles. The PFA oriented detectors have high efficiency in reconstructing physics objects such as leptons, jets, and missing energy.The lepton identification is essential for the physics programs, especially for the precise measurement of the Higgs boson.In this thesis, a PFA based lepton identification (Lepton Identification for Calorimeter with High granularity) has been developed for detectors using high granularity calorimeters. Using the conceptual detector geometry for the CEPC and single charged particle samples with energy larger than 2 GeV, LICH identifies electrons/muons with efficiencies higher than 99.5% and controls the mis-identification rate of hadron to muons/electrons to better than 1%/0.5%. Reducing the calorimeter granularity by 1-2 orders of magnitude, the lepton identification performance is stable for particles with E > 2 GeV. Applied to fully simulated eeH/$mumu$ H events, the lepton identification performance is consistent with the single particle case: the efficiency of identifying all the high energy leptons in an event, is 95.5-98.5%.Except for e and $mu$, $tau$s are extremely intriguing physics objects as its Yukawa coupling to the Higgs boson is relatively large. Due to its rich decay products, properties such as the Higgs CP and EW parameters at the Z-factory can be precisely measured. The $tau$ decay in high energy colliders is tightly collimated and low multiplicity, which provide excellent signatures to probe. In this thesis, the H$rightarrow$ $tautau$ channels are analyzed in different Z decay modes with SM background taken into account and the combine final accuracy is expected to be 1.3%.


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