La Physique de Précision du Boson de Higgs en Quatre Leptons en Théorie Effective des Champs avec l'Expérience ATLAS au LHC

par Antoine Laudrain

Projet de thèse en Physique des particules

Sous la direction de Reisaburo Tanaka et de Arthur Schaffer.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La premiere année de thèse sera consacrée au travail de qualification dans ATLAS, décliné en deux parties. La première consiste à l'intercalibration des couches du calorimètre électromagnétique qui est l'un des elements essentiels de l'étalonnage de l'énergie des électrons et photons dans ATLAS. La connaissance de l'échelle d'énergie du calorimètre est déterminante pour la mesure de la masse du Higgs, effectuée à partir des modes de désintégration en quatre leptons et en deux photons. La deuxième partie de la qualification consistera à une participation au contrôle du calorimètre électromagnétique pendant les prises de données. Il s'agit de shifts où l'on contrôle la qualité des données avant le démarrage de la reconstruction qui se fait 48 heures après l'enregistrement. Les canaux problématiques et les périodes de sursaut de bruit sont signalés et traités. Le but de ce travail de qualification est de donner à l'étudiant une bonne comprehension du fonctionnement du détecteur et du traitement des données, tout en participant à des tâches essentielles pour la qualité des résultats de physique. En parallèle, l'étudiant participera à l'évolution de l'analyse des propriétés du mode de désintégration du boson de Higgs en quatre leptons. Au Run 1 du LHC, la mesure des couplages du Higgs aux autres particules a été développée en terme de facteurs κ ("signal-strength") qui mesurent une éventuelle déviation par rapport au Modèle Standard (κ=1). Les facteurs κ ont été extraits des mesures des différents modes de production du Higgs, par exemple la fusion de gluons (ggF) ou la fusion de bosons vecteurs (VBF), et des canaux de désintégration. Les mesures de spin-parité du boson du Higgs (scalaire, J^P = 0+) ont été faites à partir de la cinématique de la désintégration, surtout avec les mesures du mode en quatre leptons. L'augmentation de la précision statistique du Run 2 (environ 10 fois plus de bosons de Higgs produits par rapport au Run 1) permettra d'étendre ces analyses avec les mesures qui pourront être interprétées dans la contexte de la théorie effective des champs (EFT). Le programme de travail concernant cette analyse sera double : l'amélioration de la sensibilité aux modes de production VBF et VH (production associée) avec les méthodes multivariées, et l'étude de la sensibilité des mesures des modes de production aux différents paramètres de l'EFT. La première partie consiste à distinguer les différents modes en exploitant la cinématique des jets associés dans la production. Les études déjà faites seront approfondies avec une meilleure simulation qui incorpore les calculs théoriques QCD les plus précis. Pour investiguer la sensibilité aux paramètres du EFT, les études seront faites avec les nouvelles simulations de MadGraph5 et impliquera des discussions avec les théoriciens. Ces études, qui ont démarré pendant la période de stage, constitueront le coeur du travail de thèse. Elles seront appliquées aux données 2016, 2017 et 2018 pour les résultats intermédiaires du Run 2. On pourrait anticiper que la thèse soutenue en 2019 pourra présenter l'analyse finale sur l'ensemble des données des trois années du Run 2 à la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard par des mesures à plus haute précision.

  • Titre traduit

    Precision Higgs Physics with Higgs Boson Decaying into Four Leptons using Effective Field Theory with the ATLAS Experiment at LHC


  • Résumé

    The first year of the PhD will be dedicated to a qualification task in ATLAS, with two parts. The first one consists of the electromagnetic calorimeter layers intercalibration which is a key element of the electron and photon energy calibration in ATLAS. The knowledge of the calorimeter energy scale is essential for the Higgs boson mass measurements performed with the four leptons and two photons decay channels. The second part of the qualification will consist in the participation of the electromagnetic calorimeter monitoring during the data-taking. It consists of shifts during which the data quality is controlled before the reconstruction phase beginning 48 hours after the recording. Faulty channels and high noise periods are reported and handled. The goal of this qualification task is to give the student a good understanding of the detector operation and of the data processing, while participating to essential tasks for physics results quality. In parallel, the student will participate in the development of the Higgs to four leptons decay channel properties analysis. In LHC Run-1, the measurements of Higgs couplings to other particles has been developed in terms of κ factors (signal-strength) which measure possible deviations from the Standard Model (κ=1). κ factors were extracted from various Higgs production modes, for example the gluon fusion (ggF) or the vector boson fusion (VBF), and from decay channels. Measurements of the Higgs boson spin-parity (scalar, J^P = 0+) were performed using the decay kinematics, especially with the four-lepton mode measurements. The increase in statistical precision in Run 2 (roughly 10 times more produced Higgs bosons with regard to Run 1) will allow to extend these analyses to measurements that could be interpreted in the Effective Field Theory (EFT) framework. The work schedule for this analysis will split in: improvement of the VBF and VH (associated production) sensitivity with multivariate methods, and the study of the production mode measurements sensitivity to the various EFT parameters. The first part consist in distinguishing the production modes using the associated jet kinematics in the production. Previous studies will be continued with a better simulation which integrates the most precise QCD computations. In order to investigate the sensitivity of EFT parameters, studies will be performed using the new MadGraph5 simulations and imply discussion with theoreticians. These studies started during the internship and will form the core of the PhD. They will be applied to 2016, 2017 and 2018 datasets for intermediate Run 2 results. We could forecast that the thesis defended in 2019 will present the final analysis with the 3-year Run 2 full dataset for Beyond the Standard Model searches with higher precision measurements.