Caractérisation de grands détecteurs Micromegas pour le projet New Small Wheel et recherche de la production de quatre quarks top avec le détecteur ATLAS au LHC

par Thibault Chevalérias

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Frédéric Déliot.

Le président du jury était Laurent Serin.

Le jury était composé de Frédéric Déliot, Laurent Serin, Daniel Bloch, Martine Bosman, Didier Lacour, Jean-Pierre Meyer.

Les rapporteurs étaient Daniel Bloch, Martine Bosman.


  • Résumé

    Ce travail de thèse a été effectué au sein de la collaboration ATLAS au LHC. Il s'intéresse dans un premier temps au développement de nouveaux détecteurs Micromegas pour le projet NSW, et dans un second temps à la recherche d'un processus physique très rare : la production de quatre quarks top au LHC, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Le programme de physique du LHC prévoit une augmentation significative de la luminosité de l'accélérateur dans les années à venir, en particulier pour la phase haute-luminosité dont le démarrage est prévu en 2026. Certains composants du détecteur ATLAS doivent être mis à jour, notamment les petites roues du spectromètre à muons qui vont devoir supporter une irradiation bien supérieure au niveau actuel. De nouvelles petites roues (NSW) sont en cours de développement et une partie des détecteurs Micromegas pour ces petites roues est construite par l'IRFU. Les performances de ces détecteurs sont validées sur un banc de test utilisant des muons cosmiques. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer un code d'analyse des données de ce nouveau banc de test afin de caractériser les détecteurs Micromegas pour le projet NSW. Le code fournit notamment des informations de gain et d'efficacité de détection, et sera utilisé jusqu'à la fin du projet. Les efficacités mesurées sont globalement en accord avec les attentes sauf sur certaines parties des détecteurs qui doivent être investiguées. Le quark top est un élément central de plusieurs théories au-delà du modèle standard, comme par exemple les modèles avec des dimensions supplémentaires, ou encore qui incluent une modification du secteur du boson de Higgs. Certains de ces modèles prédisent une augmentation de la section efficace de production de quatre quarks top qui est un phénomène très rare dans le modèle standard et dont la section efficace ne vaut qu'environ 12 fb à 13 TeV. L'étude du processus à quatre tops dans le canal à deux leptons de même charge électrique est particulièrement intéressante car le niveau de bruit de fond y est très faible. Ce travail de thèse s'intéresse d'abord à l'analyse des événements à quatre tops avec le détecteur ATLAS, portant sur les données prises en 2015 et 2016. L'étude de ce processus est un défi de par le faible nombre d'événements disponibles, mais aussi à cause du bruit de fond dû aux faux leptons qui est difficile à estimer. Plusieurs limites sont posées sur des modèles de nouvelle physique, et sur la production conforme au modèle standard. Cette dernière limite est combinée avec un résultat provenant du canal à un lepton pour fournir la meilleure limite au moment de sa publication. Le processus de production de quatre quarks top conforme au modèle standard est à nouveau étudié avec l'entièreté des données prises entre 2015 et 2018, dans le but d'en effectuer une première observation. L'analyse de données est en cours, et cette thèse se concentre sur le développement d'une nouvelle méthode d'estimation du bruit de fond dû aux faux leptons.

  • Titre traduit

    Characterization of large Micromegas detectors for the New Small Wheel project and search for four top quark production with the ATLAS detector at the LHC


  • Résumé

    This doctoral work was carried out as a member of the ATLAS collaboration at the LHC, an accelerator with a center-of-mass energy of 13 TeV. The development of new Micromegas detectors for the NSW project has been studied, along with the search for a very rare physics process : the production of four top quarks at the LHC, at a center-of-mass energy of 13 TeV. The physics programme of the LHC plans a significant increase of the luminosity in the coming years, especially for the high-luminosity phase beginning in 2026. Some parts of the ATLAS detectors must be upgraded to cope with the increased radiation levels. The small wheels of the muon spectrometer will be replaced by new small wheels (NSW) using Micromegas detectors. IRFU is responsible for producing some of the detectors, which performances are being validated on a test bench using cosmic muons. During this doctoral work, the aim was to develop an analysis code for the test bench data, in order to characterize the Micromegas detectors of the NSW project. The code provides gain and detection efficiency informations, and will be used until the end of the project. The measured efficiencies are in agreement with the expectations except in some parts of the detectors that are being investigated. The top quark plays a central role in many theories beyond the standard model, for instance in models with extra dimensions, or with a modification of the Higgs boson sector. Many of these models predict an enhanced cross section for the very rare four top quark process, which is predicted to be approximately 12 fb at 13 TeV. The study of the four top quark process is particularly interesting in the channel with leptons having the same electric charge because of the very low background level. This doctoral work is firstly carried out on the data taken in 2015 and 2016 by the ATLAS detector, in order to study the four top quark process and some new physics models. This process is very challenging given the very low number of events, and the difficult estimation of the fake lepton background. Several limits are set on new physics models and on the standard model four top quark production. The results on the standard model process are combined with the results from the single lepton channel to set the tightest limit at the time of its publication. The four top quark production is being studied again, using the data taken from 2015 to 2018 this time, with the aim of making a first observation of this process. The doctoral work is focused on a new method for estimating the fake lepton background.


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