Physique des b-jets avec les données du Run 2 d'ATLAS : de la calibration aux mesures des couplages du Higgs dans le cannal VH,H->bb

Physics with b-jets using the ATLAS Run 2 data : from calibration to Higgs boson couplings measurements in the V H, H → bb channel

• Auteur / Autrice : Romain Bouquet
• Direction : Giovanni Marchiori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 24/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....) - AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Eli Ben-Haim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hannah Arnold, Jean-Baptiste de Vivie de Régie, Jean-François Grivaz, Luca Scotto Lavina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Viola Sordini, Andrea Rizzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grand collisionneur de hadrons

Bosons de Higgs

Quarks

Modèle standard (physique)

Physique au-delà du modèle standard

Mots clés libres

Quark b

Physique des particules

CERN

Boson de Higgs

Hautes énergies

ATLAS

ATLAS

Particle Physics

CERN

Higgs Boson

B-quarks

High Energy Physics

Résumé

Plusieurs signatures d'intérêts pour des mesures du Modèle Standard (MS) et pour des recherches de phénomènes au delà du MS incluent au moins un b-jet dans leur état final. Par exemple, la désintégration principale du boson de Higgs (H) est en paire de quarks-b avec une prédiction, par le MS, pour le rapport d'embranchement de 58%. Le boson de Higgs est la pierre angulaire du MS car il est responsable de la masse des autres particules élémentaires et de la brisure spontanée de symétrie de l'interaction électrofaible. Les désintégrations H→bb sont donc essentielles pour tester le mécanisme de création de masse des quarks et pour contraindre les théories au delà du MS dans le secteur de la physique du Higgs. De plus, d'autres processus comme la production de paires de quarks-top et les désintégrations du boson Z en saveurs lourdes ou d'hypothétiques nouvelles résonances peuvent produire un ou des b-jet(s). Cette thèse se focalise sur la calibration et les mesures physiques des processus impliquant des b-jets en exploitant des collisions proton-proton collectées à une énergie de 13 TeV dans le centre de masse entre 2015 et 2018 par l'expérience ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons. Le premier aspect du travail de thèse porte sur la première calibration différentielle in situ de l'échelle d'énergie des b-jets au sein d'ATLAS, appelée b-JES. Les événements présentant les caractéristiques des processus ttbar lepton+jets sont sélectionnés et la b-JES est obtenue grâce à un nouveau programme développé à cet effet. La b-JES a été mesurée de manière inclusive pour des jets b-étiquetés dont l'impulsion transverse est supérieure à 20 GeV, et également, grâce à la taille importante de l'échantillon de contrôle, en fonction de l'impulsion transverse des jets b-étiquetés entre 30 et 500 GeV. La correction spécifique pour l'échelle d'énergie des jets b-étiquetés est en adéquation avec l'unité, l'incertitude associée à la mesure inclusive est de 2.5%, et décroît de 4% à 1.9% pour des jets b-étiquetés dont l'impulsion transverse croît entre 30 et 500 GeV pour la mesure différentielle. Les résultats ont été publiés dans une note de conférence d'ATLAS et ont été présentés à la conférence Électrofaible de Moriond 2022 pendant une session YSF. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude des propriétés du boson de Higgs. Le couplage de Yukawa du Higgs avec le quark-bottom, les prédictions du MS et les propriétés cinématiques de la production du boson de Higgs sont investiguées par le biais de la recherche de bosons de Higgs produits en association avec un boson vecteur de l'interaction faible (V=W,Z) et se désintégrant en une paire de quarks-b. Les bosons vecteurs sont reconstruits par le biais de leur désintégration leptonique. L'état final V(→leptons)H(→bb) offre la meilleure sensibilité pour la mesure de la section efficace de la production VH et du rapport d'embranchement H→bb. Grâce à l'amélioration des algorithmes d'identification des jets-b et jets-c, une augmentation de 20% de la sensibilité est attendue pour l'analyse VH,H→bb par rapport à la précédente publication basée sur les mêmes données. La précision attendue pour la force du signal, définie comme le ratio entre le signal observé et celui prédit par le MS, est égal à 1.00 +0.15/-0.14. Par ailleurs, le niveau de confiance à 95% attendu pour la limite supérieure de la force du signal du processus VH,H→cc est 16 fois la prédiction du Modèle Standard et est un facteur 2 inférieur à la précédente analyse publiée pour les mêmes données. Une publication de ces résultats est prévue pour début 2023.

Many signatures of interest for Standard Model (SM) measurements and for searches of beyond-SM (BSM) phenomena include at least one b-jet in their final state. For instance, the main decay of the Higgs boson (H) is to a pair of b-quarks with a SM predicted branching fraction of 58%. The Higgs boson is the cornerstone particle of the SM as it is responsible for the mass of the other elementary particles and for the spontaneous symmetry breaking of the electroweak interaction. H→bb decays are thus essential to probe the quark mass generation mechanism and constrain BSM theories in the Higgs sector. Moreover, other processes such as top-quark production and heavy flavour decays of Z boson or of hypothetical new resonances can produce b-jet(s). This thesis focuses on calibration and physics measurements of processes involving b-jets exploiting proton-proton collisions collected at a center-of-mass-energy of 13 TeV between 2015 and 2018 by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The first aspect of the thesis work concerns the first ATLAS in situ differential calibration of the energy scale of b-jets, referred to as b-JES. Events with a ttbar lepton+jets signature are selected and the b-JES is derived thanks to a new software framework developed for that purpose. The b-JES measurement has been performed inclusively for b-tagged jets transverse momenta above 20 GeV, and thanks to the large size of the control sample under study, differentially as a function of the b-tagged jet transverse momentum between 30 and 500 GeV. The specific b-tagged jet energy correction in data is consistent with unity, with an uncertainty of 2.5% for the inclusive measurement, and decreasing from 4% to 1.9% for b-tagged jet transverse momenta increasing between 30 and 500 GeV for the differential measurement. The results have been published in a dedicated ATLAS conference note and have been presented at the Moriond Electroweak 2022 conference during a YSF talk session. The second part of the thesis is about a study of the properties of the Higgs boson. The Higgs-to-bottom Yukawa coupling, the SM predictions and kinematic properties of Higgs boson production are probed looking for Higgs bosons produced in association with a weak vector boson (V=W,Z) and decaying to a pair of b-quarks. The vector bosons are reconstructed through their leptonic decays. The V(→leptons)H(→bb) final state provides the best sensitivity to the measurement of the VH production cross-section and the H→bb decay rate. Thanks to improved b-jet and c-jet identification algorithms and other refinements in the analysis procedures such as a more extensive use of multivariate techniques, an increase of the order of 20% of the sensitivity is expected for the VH,H→bb analysis with respect to the previous ATLAS publication based on the same data. The expected precision on the signal strength, defined as the ratio between the observed signal yield and the corresponding SM prediction, is equal to 1.00 +0.15/-0.14. Furthermore, the expected 95% confidence level upper limit on the signal strength of the VH,H→cc process is expected to be of 16 times the prediction of the Standard Model and is a factor 2 lower than in the previous published analysis of the same data. A publication of those results is foreseen for early 2023.