Première évidence de la production pp → tttt dans le cadre du modèle standard et études de performance du calorimètre à tuiles d'ATLAS pour la phase HL-LHC

First evidence of standard model pp --> tttt production and performance studies of the ATLAS tile calorimeter for HL-LHC

• Auteur / Autrice : Lennart Rustige
• Direction : Romain Madar, Kevin Kröninger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Particules, Interactions, Univers
• Date : Soutenance le 02/10/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020) en cotutelle avec Universität Dortmund
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de Clermont
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Déliot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucia Masetti, Sarah Porteboeuf, Wolfgang Wagner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Déliot, Andreas Meyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quark top

Expérience ATLAS

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Quark top

Boosted-decision-tree

ATLAS

CERN

LHC

Modèle standard

Reconstruction cinématique

Physique des hautes énergies,

HL-LHC

Quark

Boosted-decision-tree

ATLAS

CERN

LHC

Standard model

Kinematic reconstruction

High energy physics

HL-LHC

Résumé

Deux analyses dans le domaine de la physique des particules sont présentées dans ce document. Premièrement, des études sur les performances de la reconstruction des muons à l’aide des informations calorimétriques dans les conditions de la phase HL-LHC du détecteur ATLAS.. Deuxièmement, la recherche de la production simultanée de quatre quarks top en utilisant l’ensemble complet des données Run-II enregistrées par ATLAS. Cet ensemble des données correspond à une luminosité intégrée de L = 139 fb−1 des collisions protons-protons à un énergie dans le centre de masse de √s = 13 TeV. La performance de la reconstruction des muons est sondée pour différentes conditions de prise de données, en particulier avec des nombres de collisions parasites importants tels qu’attendu pour la phase du HL-LHC. La performance est également sondé et en vue de différents scénarios des bruits qui émulent la perte de résolution énergétique et la détérioration de l’acceptation du détecteur due au vieillissement et à l’irradiation des composants du détecteur. Cette étude est menée pour tester les scénarios proposés de mise à jour du détecteur avant leur mise en œuvre. La recherche de la production de quatre quark top, prédite par le modèle standard (SM), présentée ici, se concentre sur les modes de désintégration avec deux leptons de même signe ou plusieurs leptons dans l’état final. La recherche de ce processus est, entre autres facteurs, motivée par les très grandes énergies impliquées et par le fait qu’il est potentiellement sur le point d’être découvert avec l’ensemble des données actuellement disponibles. Les résultats finaux sont obtenus dans l’ajustement d’une fonction de vraisemblance profilée impliquant le résultat d’un boosted decision tree, entraîné à discriminer entre le signal et les bruits de fond. L’ajustement donne une section efficace de [1], ce qui correspond à une significance observée (attendue) de Z = 4,3 (Z = 2,4). Cela correspond à la première évidence de ce processus. Le résultat obtenu est compatible avec la prédiction du SM [2] à 1,7 écart-type près. Après la première évidence, la possibilité de reconstruire le système des quatre quark top en utilisant une approche de vraisemblance cinématique est explorée. Les études sont effectuées dans l’état final avec un seul lepton avec l’outil KLFitter [3] donnant une efficacité de correspondance correcte des quatre quarks top de ε = 33 ± 4 % dans des conditions optimales. [1] ATLAS Collaboration. ‘Evidence for tt̄tt̄ production in the multilepton final state in proton–proton collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector’. Eur. Phys. J. C 80 (2020) [2] Rikkert Frederix et al. ‘Large NLO corrections in tt̄W ± and tt̄tt̄ hadroproduction from supposedly subleading EW contributions’. JHEP 02 (2018) [3] Johannes Erdmann et al. ‘A likelihood-based reconstruction algorithm for top- quark pairs and the KLFitter framework’. Nucl. Instrum. Meth. A 748 (2014)

Two analyses in the field of particle physics are presented in this document. First, studies on the performance of the reconstruction of muons using calorimeter information under the conditions of the High-Luminosity Large-Hadron-Collider (HL-LHC) phase of the ATLAS detector. Second, the search for the Standard Model (SM) simultaneous production of four top quarks using the full Run-II data set recorded by ATLAS. This data set corresponds to an integrated luminosity of L = 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre of mass energy of √s = 13 TeV. Here, the performance of the reconstruction of muons is probed for different pile-up scenarios, as those expected for the HL-LHC phase, and in light of different noise scenarios that emulate the loss of energy resolution and deterioration of detector acceptance due to ageing and irradiation of detector components. This study is conducted to test proposed detector upgrade scenarios before their implementation. The search for SM like four top quark production presented here, focuses on the decay modes with two same sign or more leptons in the final state. The search for this process is, among other factors, motivated by the very large energies involved and by the fact that it is likely on the verge of being discovered with currently available data sets. The final results are obtained in a profile likelihood fit involving the outcome of a boosted decision tree trained to discriminate between signal and background. The fit results in a production cross section of [1], which corresponds to an observed (expected) significance of Z = 4.3 (Z = 2.4). This represents the first evidence for this process. The obtained result is compatible with the SM prediction [2] within 1.7 standard deviations.Following first evidence, the possibility of reconstructing the four top quark system using a kinematic likelihood approach is developed and tested. These developments are performed with the KLFitter [3] tool set and yield an efficiency of correctly matching all four top quarks of ε = 33 ± 4% under optimal conditions in the single lepton final state. [1] ATLAS Collaboration. ‘Evidence for tt̄tt̄ production in the multilepton final state in proton– proton collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector’. Eur. Phys. J. C 80 (2020) [2] Rikkert Frederix et al. ‘Large NLO corrections in tt̄W ± and tt̄tt̄ hadroproduction from supposedly subleading EW contributions’. JHEP 02 (2018) [3] Johannes Erdmann et al. ‘A likelihood-based reconstruction algorithm for top- quark pairs and the KLFitter framework’. Nucl. Instrum. Meth. A 748 (2014)