Recherche de nouvelle physique dans le mode de production VBF dans un état final avec une grande énergie transverse manquante avec le détecteur ATLAS

Search for new physics produced via Vector Boson Fusion in final states with large missing transverse momentum with the ATLAS detector

• Auteur / Autrice : Marta Maria Perego
• Direction : Claude Guyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 10/04/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Dirk Zerwas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Guyot, Dirk Zerwas, Klaus Mönig, Fabienne Ledroit-Guillon, Suzanne Gascon-Shotkin, Marco Taoso, Marco Cirelli, Filippo Sala
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Klaus Mönig, Fabienne Ledroit-Guillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théories de grande unification

Particules (physique)

Matière noire (astronomie)

Bosons de Higgs

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Large Hadron Collider (LHC)

Matière noire

Minimal Dark Matter

Physique au-delà du modèle standard

Boson de Higgs

Désintégration du boson de Higgs en particules invisibles

Large Hadron Collider (LHC)

Dark matter

Minimal Dark Matter

Beyond the Standard Model

Higgs boson

Higgs invisible decay

Résumé

Cette thèse présente des recherches sur la nouvelle physique produite par le processus de Fusion de Bosons Vecteur (VBF) dans les états finaux avec une grand impulsion transverse manquante (Etmiss) en utilisant 36.1 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) au CERN en 2015 et 2016. En particulier, elle se concentre sur la recherche de la désintégration invisible du boson de Higgs produit via le mode VBF. Comme le modèle standard de la physique des particules (MS) prédit une désintégration invisible de Higgs uniquement à travers le mode H->ZZ*->4v avec un rapport d’embranchement BR ~ 0,1%, si une désintégration en particules invisibles du boson de Higgs était observée avec un BR supérieur, ce serait un signe de nouvelle physique. Plusieurs modèles au-delà du modèle standard (BSM) prédisent des désintégrations du boson de Higgs en particules de matière noire (DM, non détectées) ou en particules massives neutres à vie longue. Parmi les recherches H->particules invisibles, la plus sensible est celle où le Higgs est produit via le mode VBF. Son état final est caractérisé par deux jets énergétiques, avec les caractéristiques typiques du mode VBF (c'est-à-dire une grande séparation angulaire et une grande masse invariante des deux jets) et une grande impulsion transverse manquante (Etmiss>180 GeV). Pour sélectionner un échantillon d'événements candidats de signal, une région de signal (SR) est définie pour maximiser la fraction d'événements de signal attendus par rapport à la prédiction du MS (bruit de fond). Les processus MS qui peuvent peupler la SR proviennent principalement des processus Z->vv+jets et W->lv+jets, où le lepton est perdu ou non reconstruit. Leur contribution est estimée avec une approche semi-data driven : des régions dédiées enrichies en événements W->lv/Z->ll sont utilisées pour normaliser les données des estimations de Monte Carlo (MC) en utilisant une technique de fit simultané (méthode du facteur de transfert) et pour les extrapoler à la SR. L'estimation de fond prédit est comparée aux données SR observées. Comme aucun excès n'est trouvé, une limite supérieure sur le BR (H-> invisible) est calculée. L'analyse est ensuite réinterprétée dans le cadre de modèles inspirés du modèle Minimal Dark Matter. Le cas d'un nouveau triplet fermionique électrofaible, avec une hypercharge nulle et avec interactions respectant le nombre B-L, ajouté au MS fournit un bon candidat Dark Matter (WIMP pure). Si on considère l'abondance thermique, la masse du composant neutre est d’environ 3 TeV. Cependant des masses plus faibles sont également envisageables dans le cas de mécanismes de production non thermiques ou lorsque le triplet ne constitue qu'une fraction de l'abondance de DM. Il peut être produit à des collisionneurs proton-proton tels que le LHC et il peut être sondé de différentes manières. Une fois produites, les composantes chargées du triplet se désintègrent dans le composant neutre le plus léger, χ0 , avec en plus des pions très mous, en raison de la petite différence de masse entre les composants neutres et chargés. Ces pions de très faible impulsion ne peuvent pas être reconstruits et sont donc perdus. Le χ0 est reconstruit comme de l’Etmiss dans le détecteur. Par conséquent, lorsqu'il est produit via VBF, il donne lieu à une signature avec deux jets VBF et de l’Etmiss, le même état final que celui qui a été étudié pour l'analyse de VBF H->invisible. Des points de masse différentes (de 90 GeV à 200 GeV) ont été engendrés avec les programmes Monte Carlo Madgraph+Pythia, dans le cadre du logiciel officiel ATLAS, et les limites supérieures sont définies sur la section efficace fiducielle de production. Des extrapolations à des luminosités plus élevées (Run3 et HL-LHC) en utilisant une approche simplifiée sont également présentées.

This thesis presents searches for new physics produced via Vector Boson Fusion (VBF) in final states with large Missing Transverse Momentum (Etmiss) using 36.1 fb⁻¹ of data from proton-proton collisions at center-of-mass-energy of 13 TeV, collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN during 2015 and 2016. In particular, it focuses on the search for the invisible decay of the Higgs boson produced via the vector boson fusion (VBF) process. As the SM predicts an Higgs invisible decay only through H->ZZ*->4v with Branching Ratio BR~0.1%, if an invisibly decaying Higgs boson would be observed with a higher BR, this would be a sign of new physics. Several Beyond the Standard Model (BSM) models predict invisibly decaying Higgs boson where the Higgs can decay into dark matter particles or neutral long-lived massive particles. Among the H->invisible searches the most sensitive one is the one where the Higgs is produced via the VBF process. Its final state is characterized by two energetic jets, with the typical features of the VBF mode (i.e. large angular separation and large invariant mass) and large missing transverse momentum (Etmiss>180 GeV). To select a sample of signal candidate events, a Signal Region (SR) is designed to maximize the fraction of expected signal events with respect to the SM prediction (backgrounds). The SM processes which can populate the SR comes mainly from Z->vv+jets and W->lv+jets processes, where the lepton is lost or not reconstructed. Their contribution is estimated with a semi data driven approach: dedicated regions enriched in W->lv/Z->ll events are used to normalize to data the Monte Carlo (MC) estimates using a simultaneous fitting technique (transfer factor) and to extrapolate them to the SR. The predicted background estimate is compared to the observed SR data. Since no excess is found, an upper limit on the BR(H->inv) is set. The analysis is then reinterpreted in the context of models inspired by the Minimal Dark Matter model. The case of a new electroweak fermionic triplet, with null hypercharge and with interactions respecting the B-L number, added on top of the SM provides a good Dark Matter candidate. As such, it is an example of pure Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), meaning that it is a DM particle with SU(2)_L SM interactions which is not mixing with other states (pure).If the thermal abundance is assumed, the mass of the neutral component is around 3 TeV, however smaller masses are also allowed in case of non-thermal production mechanisms or if the triplet constitutes only a fraction of the DM abundance. It can be produced at proton-proton colliders such as the LHC and it can be probed in different ways. Once produced, the charged components of the triplet decays into the lightest neutral component chi0 plus very soft charged pions. chi0 is reconstructed as Etmiss in the detector while the pions, because of the small mass splitting between the neutral and charged components, are so soft that are lost and are not reconstructed. Therefore, when produced via VBF, it gives rise to a signature with two VBF jets and Etmiss, the same final state that has been investigated for the VBF Higgs invisible analysis. Different mass point (from 90 GeV to 200 GeV) have been generated with the Madgraph+Pythia, Monte Carlo programs within the official ATLAS software, and upper limits are set on the fiducial cross section. Extrapolations to higher luminosities using a simplified approach are also presented.