Recherche de nouvelle physique dans le secteur du quark top avec le détecteur ATLAS

par Thibault Chevalerias

Projet de thèse en Physique des particules

Sous la direction de Frédéric Deliot et de Henri Bachacou.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec DSM-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le quark top joue un rôle très particulier dans le Modèle Standard de la physique des particules. Il se couple fortement avec le boson de Higgs, récemment découvert au CERN, à cause de sa masse très importante. Il est donc attendu que son couplage de Yukawa soit proche de 1, même s'il n'a pas encore été mesuré directement. Le quark top présente donc une opportunité unique d'étudier de nouveaux phénomènes au-delà du Modèle Standard, comme celui des quarks composites, qui prédit l'existence de quarks partenaires du top qui peuvent aider à stabiliser la masse du boson de Higgs vis à vis des corrections quantiques associées. Ces partenaires pourraient se présenter sous la forme de quarks top lourds, ou encore de particules avec une charge électrique de 5/3. Ces modèles prédisent aussi une augmentation de la section efficace de production de quatre quarks top, qui est normalement très faible. Ce type de processus pourrait donc être le plus prometteur pour la découverte de nouvelle physique. Après un arrêt de deux ans, le LHC prend à nouveau des données de collision entre protons, à une énergie dans le centre de masse jamais atteinte auparavant : 13 TeV en 2015 et en 2016. Au vu de la quantité de données qui pourra être enregistrée par le détecteur ATLAS durant ces quelques années de fonctionnement, le doctorant pourra rechercher des partenaires du top dans des régions encore inexplorées de l'espace des phases, ainsi qu'effectuer la délicate mesure de la section efficace de production de quatre quarks top. Les partenaires du top comme décrits par les modèles composites peuvent être produits seuls ou par paires. Le plus léger d'entre eux est attendu entre 500 GeV et 1.5 TeV. Ces particules peuvent se désintégrer en Wb, Wt, Zt, Zb, Ht ou Hb. Elles ont donc plusieurs signatures possibles pour leur désintégration. L'une des plus prometteuses, permettant d'observer tous ces types de désintégration est la recherche d'une paire de leptons de même signe, ce qui permet de réduire considérablement le bruit de fond venant des processus du Modèle Standard. Parmi les états finaux pouvant être produits par le LHC, la production de quatre quarks top est l'une des plus spectaculaires. Tout comme pour les partenaires du top, l'utilisation de la signature avec deux leptons de même signe est valide pour l'état final à quatre tops. Pour pouvoir atteindre la sensibilité requise pour observer ce phénomène dans le cadre du Modèle Standard, les événements à trois leptons devraient être ajoutés à l'analyse. Les incertitudes sur les bruits de fond devront également être contrôlées très précisément, en particulier pour le bruit de fond provenant de la production de paires top-antitop en association avec un ou deux bosons vecteurs. Ces processus n'ont pas encore été observés au LHC par manque de statistique.

  • Titre traduit

    Search for new physics in the top quark sector with the ATLAS detector


  • Résumé

    The top quark plays a particular role in the Standard Model (SM) of particle physics. Due to its very high mass, this quark strongly couples with the recently discovered Higgs boson. Even if not yet directly measured, its Yukawa coupling is expected to be close to unity. This feature makes the top quark a unique window to search for new processes beyond the SM, such as compositeness, that predict the existence of top-partner quarks that play a key role in stabilizing the Higgs boson mass against quantum corrections. These top partners could, for instance, look like heavy top quarks or particles with an electric charge 5/3. Also strongly coupled models of compositeness can enhance the tiny SM cross section for the production of four top quarks. This channel could be the most promising process for new physics discovery. After two years of shutdown, the LHC resumed operation at the highest ever-achieved centre-of-mass energy of 13 TeV in 2015. With the amount of data expected to be accumulated by the ATLAS detector after a few year, the PhD candidate will be able to search for top partners in a yet-unexplored region of phase-space as well as perform the challenging measurement of the production of four-top quarks. Top partners postulated by compositeness models can be produced singly or in pairs. The lightest top partner is expected to have a mass between 500 GeV to 1.5 TeV. These new particles can decay to Wb, Wt, Zt, Zb, Ht or Hb. This gives rise to several decay signatures. One of the most promising ways to discover top partners common to these decay modes is to search for a pair of same-sign leptons because the contamination from the SM background is low. Among the many interesting final states that may be produced at the LHC, four-top production is one of the most spectacular. As in the case of top partners, searching for two same-sign leptons is relevant for the four-top final state. In order to reach the SM cross section sensitivity for this process, the three lepton final state should be added. The background uncertainties will also have to be stringently controlled, in particular the background originating from top-antitop production in association with one or two vector bosons. These processes were not yet observed at the LHC because of the lack of statistics.