Thèse soutenue

Recherche du boson de Higgs se désintégrant en pair de taus avec la méthode de l’élément de matrice et optimisation des déclenchements pour les taus dans l’expérience CMS auprès du LHC
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Auteur / Autrice : Luca Mastrolorenzo
Direction : Florian Beaudette
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance en 2015
Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Rousseau

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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J’ai effectué ma thèse en physique des particules au laboratoire Leprince-Ringuet à l’École Polytechnique. J’ai participé à l’analyse des collisions proton-proton à 8 TeV produites par le Large Hadron Collider (LHC) et collectées par le détecteur CMS. La découverte du boson de Higgs a été un événement majeur pour la physique des hautes énergies car la masse des bosons vecteurs provient de leur interaction avec le champ de Higgs. Le couplage du boson de Higgs avec les leptons n’ayant pas encore été découvert, mon travail de thèse s’est articulé autour du canal de désintégration en pair de tau, car c’est le seul qui permet de mettre ce couplage en évidence. En effet, le boson de Higgs se désintègre beaucoup plus souvent en taus qu’en muons ou électrons. Cette analyse est difficile au niveau du déclenchement. En effet, l’important bruit de fond impose d’appliquer des seuils en énergie élevés. Un critère de déclenchement utilisant l’énergie transverse manquante pour abaisser le seuil sur les leptons a été introduit à la fin de la prise de données. Cette approche permet de récupérer 41% d’événements en plus. J’ai effectué une caractérisation exhaustive de ce déclenchement, et en particulier étudié les erreurs systématiques associées au niveau de l’analyse. Ce déclenchement a permis d’améliorer de 2% la limite d’exclusion dans le canal Higgs en tau-tau semi-leptonique. Au Run 2, l’énergie des collisions a été portée à 13 TeV et la luminosité va augmenter. Pour garantir un déclenchement efficace pour la physique, le premier niveau du système de déclenchement (L1) a été remplacé en se basant sur la technologie microTCA. Ce nouveau système permet un accès à des informations plus détaillées en provenance du détecteur. J’ai développé, pour ce nouveau système, un algorithme de sélection des taus basé sur un algorithme d’agrégation dynamique exploitant au maximum la granularité du calorimètre. J’ai mesuré ses performances en terme d’efficacité et de taux de déclenchement, et pour la première fois auprès d’un collisionneur hadronique, CMS disposera en 2016 d’un déclenchement efficace sur les taus au L1 avec un taux raisonnable. J’ai présenté ce travail sous forme de poster à la conférence ICHEP 2014. Dans la dernière partie de ma thèse, je me concentre sur la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de taus, en me concentrant sur le canal semi-leptonique et en introduisant pour la première fois la méthode des éléments de matrice (MEM) qui permet d’améliorer la sensibilité par rapport aux méthodes traditionnelles. Aucune analyse utilisant la MEM avec des taus n’a jamais été publiée. L’innovation dans ce travail consiste notamment dans le traitement de la désintégration des taus. La réponse du détecteur est quant-à-elle modélisée par des fonctions de transfert. Puis, j’ai du tenir compte des limitations numériques intervenants dans l’évaluation des intégrales multidimensionnelles à la base de cette méthode. Enfin, j’ai mesuré le gain en sensibilité apporté par la méthode sur les données à 8 TeV. Les performances dans le cadre de la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de tau de cette méthode pionnière sont très prometteuses, avec un rapport S/B amélioré d’un facteur 3, et constituent une référence pour l’analyse des futures données du Run 2 du LHC.