Mesures de précision des propriétés du boson de Higgs via la désintégration en deux photons avec l’expérience ATLAS

Precision measurements of the Higgs Boson properties with the decay into two photons at the ATLAS experiment

• Auteur / Autrice : Luca Franco
• Direction : Marco Delmastro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Soutenance le 13/01/2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Jézéquel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karsten Köneke, André David Tinoco Mendes, Guillaume Unal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florian Beaudette, Isabelle Wingerter Seez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérience ATLAS

Bosons de Higgs

Mots clés libres

STXS

Photons

Couplages

Higgs

Étalonnage

Largeur

Photons

Calibration

STXS

Higgs

Couplings

Width

Résumé

La découverte du boson de Higgs en 2012 a représenté un véritable jalon dans l’histoirede la physique des particules : la dernière pièce manquante du Modèle Standard (MS)a finalement été observée au Large Hadron Collider (LHC) par les expériences ATLASet CMS. Depuis lors, des physiciens du monde entier se demandent si cette particuleest en fait le boson de Higgs ou simplement une autre particule très similaire à celui-ci.La seule façon de répondre à cette question est d’étudier ses propriétés avec la plusgrande précision et de les comparer avec les prédictions théoriques fournies par le MS.Si un écart significatif était présent dans les mesures, ce serait un indice importantde la physique au-delà du MS. Malgré un rapport de branchement très faible (environ0,2%), la désintégration du Higgs en deux photons représente l’un des canaux les plusintéressants pour étudier les propriétés du Higgs : il bénéficie d’un rapport signal surbruit de fond important, grâce à la signature expérimentale propre de seulement deuxphotons ; il est possible de profiter de la très haute résolution expérimentale en énergiedes photons atteinte par le détecteur ATLAS. Les études présentées dans ce manuscritexploitent des collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de 13 TeVenregistrées par ATLAS au LHC, ce qui correspond à l’ensemble de données completdu Run 2 de 139 fb^{-1}. Celles-ci incluent les mesures des sections efficaces de produc-tion de Higgs et des Simplified Template Cross Sections (STXS), ainsi qu’une analysequi vise à contraindre la largeur de la désintégration du Higgs. Tous sont entièrementréalisés à l’aide d’événements de désintégration diphotonique. Afin d’atteindre un hautniveau de précision, un étalonnage correct de l’énergie des photons est nécessaire. Dansce contexte, une étude détaillée des non-linéarités dans l’électronique du calorimètreélectromagnétique ATLAS est également présentée, ce qui contribue de manière signi-ficative à améliorer la précision de la prochaine mesure de la masse du boson de Higgsdans le canal de désintégration diphotonique.

The discovery of the Higgs boson in 2012 represented a true milestone in the historyof particle physics: the last missing piece of the Standard Model (SM) was finallyobserved at the Large Hadron Collider (LHC) by the ATLAS and CMS experiments.Since then, physicists around the world have questioned whether this particle is in factthe Higgs boson or just another particle very similar to it. The only way to answer thisquestion is studying its properties with the highest accuracy and comparing with thetheoretical predictions provided by the SM. If any significant deviation was present inthe measurements, it would be an important hint of physics Beyond the SM (BSM).Despite a very low branching ratio (about 0.2%), the Higgs decay into two photonsrepresents one of the most interesting channel to study Higgs properties: it profits froma large signal over background ratio, thanks to the clean experimental signature of onlytwo energetic photons; it is possible to take advantage of the very high experimentalphoton energy resolution achieved by the ATLAS detector. The studies presented inthis manuscript exploit proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeVrecorded by ATLAS at the LHC, corresponding to the full Run 2 dataset of 139 fb^{-1}.These include the measurements of the Higgs production cross sections and SimplifiedTemplate Cross Sections (STXS), as well as an analysis which aims to constrain theHiggs decay width. All of them are carried out entirely using diphoton decay events. Inorder to achieve a high level of accuracy, a correct calibration of the photon energy isnecessary. In this context, a detailed study of the non-linearities in the electronics of theATLAS electromagnetic calorimeter is also presented, which significantly contributesto enhance the precision of the upcoming Higgs mass measurement in the diphotondecay channel.