Study of semi-digital hadronic calorimeter and study of physics channel e+e− → νe¯νe H(H → W+W− → qq¯′qq¯′) in the Circular Electron Positrion Collider of √s = 240GeV

par Bing Liu

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Imad Laktineh et de Haijun Yang.

Soutenue le 20-11-2020

à Lyon en cotutelle avec Shanghai Jiao Tong University , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Suzanne Gascon-Shotkin.

Le jury était composé de Imad Laktineh, Haijun Yang, Jean-Claude Brient, Xiaolian Wang, Manqi Ruan.

Les rapporteurs étaient Jean-Claude Brient, Xiaolian Wang.


  • Résumé

    La découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS en 2012 ouvre une nouvelle ère pour la physique des particules. Ainsi, les mesures de haute précision des propriétés du boson de Higgs sont l'un des objectifs les plus importants pour les futurs projets de collisionneurs leptoniques tels que ILC, CEPC, CLIC, FCC dans les décennies suivantes. Pour ces futures expériences, l'obtention d'une excellente résolution d'énergie de jet (JER) est très importante pour leurs performances. Afin d'atteindre cet objectif, les algorithmes de flux de particules (PFA) fournissent l'une des approches les plus satisfaisantes. Pour l'application de PFA, des calorimètres à grande granularité sont nécessaires. Le prototype SDHCAL qui est le premier prototype technologique de la famille de calorimètres granulaires développés par la collaboration internationale CALICE, a été construit et exposé à différents faisceaux de particules lors des tests au PS et au SPS du CERN. C'est également l'une des options du calorimètre hadornique proposées pour équiper les détecteurs de base ILD et CEPC. Basée sur les données de faisceaux de test de SDHCAL, cette thèse présente l'étude détaillée du prototype technologique SDHCAL comprenant les mesures d'efficacité et de multiplicité des détecteurs RPC à base de verre, le processus d'homogénéisation de la réponse du détecteur, l'identification des particules et la reconstruction d'énergie. En utilisant les événements muons du faisceau collectés, l'efficacité et la multiplicité du GRPC se situent autour de 96% ± 0.04 et 1.81 ± 0.19. Sur la base des données du faisceau de test de pions 50 GeV et 70 GeV prises en 2018, l'écart relatif de réponse (nHit) des détecteurs passe de 4.9% et 3.9% à 1.8% et 1.4% pour les pions 50 et 70 GeV respectivement. En exploitant les données de test sur faisceaux collectées en 2015, cette thèse adopte la méthode BDT pour étudier l'identification des particules du prototype technologique SDHCAL. Il améliore considérablement l'efficacité de sélection des pions (> 99 %) qui constituent notre signal et également les taux de rejet de (> 99 %) des autres particules qui constituent un fond pour notre signal, par rapport à une méthode classique utilisée auparavant et basée sur une sélection séquentielle. Basée sur la simulation du prototype technologique SDHCAL, cette thèse adopte les méthodes MVA incluant BDT et MLP pour améliorer la linéarité et la résolution de l'énergie reconstruite. Avec l’utilisation des variables corrélées à l'énergie, à l'exception des informations nHit (déjà utilisé dans une méthode standard), la linéarité de l'énergie est améliorée de 3-4 % à 1-2 %. La résolution en énergie a été aussi améliorée de 15 % à 10 GeV et de 3-5 % à des énergies plus élevées (20-80 GeV). Enfin, à partir des échantillons de simulation de CEPC fonctionnant à √s= 240 GeV et en utilisant le calorimètre hadronique DHCAL, cette thèse étudie les constantes de couplage de Higgs g_HWW via le processus de fusion WW : e^+ e^-→ν_e ν ̅_e H (H→W^+ W^-→q(q') ̅q(q') ̅). La précision de la mesure de g_HWW devrait être de 2.24% (stats) ± 4.51 % (sys), y compris les incertitudes statistiques et systématiques

  • Titre traduit

    Etude du calorilmètre hadronique semi-digital et étude du canal physique e+ e- -H nu nu ( H -> WW->qq qq) au collisionneur circulaire electron positon (CEPC)


  • Résumé

    The discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments in 2012 opens a new era for particle physics. Thus the high precision measurements of the properties of the Higgs boson is one of the most important goals for future leptonic collider projects such as ILC, CEPC, CLIC, FCC in the following decades. For those future experiments, obtaining excellent Jet Energy Resolution (JER) is very important for their physics study performance. In order to achieve th is purpose, Particle Flow Algorithms (PFA) provides one of the most satisfying approaches. For the application of PFA, the high-granularity calorimeter is needed. The SDHCAL prototype which is the first technological one among the CALICE family of high granularity calorimeters, has been built and exposed to different particle beams in tests at PS and SPS of CERN. It is also one of the options of hadornic calorimeter equipping in ILD and CEPC baseline detectors. Based on the test beam data of SDHCAL, this thesis presents the detail study about the SDHCAL technological prototype including the measurements of efficiency and multiplicity of glass-based RPC detectors, the homogenization process of detector response, the particle identification and energy reconstruction. Using the collected beam muon events, the efficiency and multiplicity of GRPC is found to be around 96% ± 0.04 and 1.81 ± 0.19. Based on the test beam data of 50 GeV and 70 GeV pions taken at 2018, the relative deviation of response (nHit) of detectors improves from 4.9% and 3.9% to 1.8% and 1.4% for 50 and 70 GeV pions respectively. Based on the test beam data collected at 2015, this thesis adopts the BDT method to study the particle identification of SDHCAL technological prototype. It significantly improves the signal (pion) efficiency (>99%) and background rejection rates (>99%) comparing with the cut-based method. Based on the simulation of SDHCAL technological prototype, this thesis adopts the MVA methods including BDT and MLP to improve the reconstructed energy linearity and resolution. With the input of extra energy-correlated information except the nHit information, the energy linearity is found to improve from the 3-4% to 1-2%. The energy resolution was relatively improved from 15% at 10 GeV and 3-5% at higher energies (20-80 GeV). Finally, based on the simulation samples of CEPC operating at √s = 240 GeV with baseline detector ((S)DHCAL option), this thesis studies the Higgs coupling constants gHWW via the WW fusion process: e+e− → νe¯νe H(H → W+W− → qq¯′qq¯′). The precision of measurement of gHWW is expected to be 2.24% (stats) ± 4.51% (sys) including both statistical and systematical uncertainties


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