Academic literature on the topic 'Désintégration du boson de Higgs en particules invisibles'

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-&gt;ZZ*-&gt;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-&gt;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&gt;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-&gt;vv+jets et W-&gt;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-&gt;lv/Z-&gt;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-&gt; 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-&gt;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<br>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-&gt;ZZ*-&gt;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-&gt;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&gt;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-&gt;vv+jets and W-&gt;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-&gt;lv/Z-&gt;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-&gt;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

En septembre 2008 le LHC livrera ses premières collisions proton-proton. Auprès du LHC, l'expérience ATLAS est conçue pour explorer un large éventail de phénomènes et traquer les signes de nouvelle physique, qui pourraient se manifester lors de ces interactions. Ainsi, dans le cadre des extensions supersymétriques du Modèle Standard, le boson de Higgs le plus léger pourrait être produit dans les cascades de désintégrations de particules supersymétriques. Nous étudions la possibilité d'observer de tels évènements avec le détecteur AT-LAS. Tout d'abord, nous examinons la capacité d'ATLAS à mesurer l'énergie manquante due au passage des particules supersymétriques qui échappent à la détection. Ensuite, nous montrons que, pour certaines régions de l'espace des paramètres du modèle de Supergravité Minimale, compatibles avec les dernières recherches au LEP, le plus léger boson de Higgs peut être découvert avec moins de 10 fbֿ¹. Ces résultats sont compétitifs avec les canaux standard de production du Higgs. Nous étudions aussi la possibilité de mesurer des quantités liées aux masses et aux couplages des particules supersymétriques impliquées dans ce processus. Enfin, à partir de ces mesures, nous utilisons l'outil SFitter pour réaliser un ajustement global des paramètres du modèle supersymétrique sous-jacent, en montrant ainsi la validité de cette procédure pour contraindre les interprétations théoriques des futures données du LHC<br>The LHC is expected to deliver the first proton-proton collisions in September 2008 and the ATLAS experiment is designed to explore a large spectrum of phenomena that could arise from these interactions. In the context of supersymmetric extensions of the Standard Model, the lightest Higgs boson can be produced via cascade decays of supersymmetric particles. We investigate the possibility of observing such events with the ATLAS detector at the LHC. Firstly, we focus on the ATLAS capability in measuring the missing energy due to the passage of supersymmetric particles escaping the detection. Then, we show that, for some regions of the Minimal Supergravity parameter space compatible with the last LEP searches, the lightest Higgs boson can be discovered with less than 10 fbֿ¹, giving results competitive with standard Higgs production channels. We also study the possibility of measuring quantities related to the masses and couplings of the supersymmetric particles involved in the process. Finally, starting from these measurements, we use the SFitter tool to set up a global fit to the parameters of the underlying supersymmetric model, showing the validity of such procedure for constraining the theoretical interpretations of future LHC data

La découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences ATLAS et CMS a ouvert tout un nouveau domaine de recherche au LHC: la mesure des propriétés de cette particule permet d’affiner notre compréhension du Modèle Standard et de contraindre la physique au-delà de ce Modèle. Cette thèse présente les mesures du boson de Higgs se désintégrant en une paire de quarks-b et produit avec un boson W ou Z, réalisées en utilisant 139fb⁻¹ de données de collisions proton-proton à une énergie de 13 TeV dans le centre de masse collectées par le détecteur ATLAS. Trois canaux sont définis, nommés 0-, 1- et 2-leptons, selon le nombre de leptons chargés provenant de la désintégration du boson vecteur. L’analyse bénéficie de la grande statistique des données Run-2 et de l’amélioration de nombreuses techniques d’analyses, ce qui accroît sa sensibilité et permet l’observation du signal ZH et une preuve solide du signal WH dans cette désintégration du boson de Higgs en paires de quarks-b. Des mesures de sections efficaces différentielles sont également menées, et sont en bon accord avec la théorie. Le détecteur ATLAS fera l’objet de nombreuses mises à jour en vue de l’exploitation du HL-LHC afin de pouvoir tolérer l’augmentation de la luminosité et du niveau d’empilement. L’électronique de lecture du calorimètre à argon liquide sera ainsi remplacée. Une partie de cette thèse est consacrée à vérifier si les prototypes de préamplificateurs Front-End proposés pour la mise à jour sont conformes aux exigences physiques<br>The discovery of the Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS experiments has opened a new research domain at the LHC, with the measurement of the properties of this particle to refine our understanding of the Standard Model and constrain physics beyond this model. The measurements of the Higgs boson decaying to a pair of b-quarks and produced alongside a W or Z boson, performed with the ATLAS detector using 139 fb⁻¹ of data collected in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13TeV are presented in this thesis. Three channels are defined, the 0-, 1- and 2-lepton channels, depending on the number of charged leptons coming from the decay of the vector boson. The analysis takes advantage of the full Run-2 data statistics and of the improvement of many analysis techniques, which increases its sensitivity and allows the observation of the ZH signal and a strong evidence of the WH signal in this decay channel of the Higgs boson into pairs of b-quarks. Differential cross-section measurements are also performed and are found to be in good agreement with the Standard Model. The ATLAS detector will undergo many upgrades in preparation for the HL-LHC operation to be able to cope with the increase in luminosity and pile-up level. Therefore the liquid argon calorimeter readout electronics will be replaced. A part of this thesis is dedicated to check if the Front-End pre-amplifier prototypes proposed for the upgrade comply with the physics requirements

Ce travail de thése concerne la recherche du boson de Higgsa laide de canaux de désinégration contenant des photons dans létat final, baée sur les données enregistrées par le détecteur ATLAS en 2011 et 2012, a une énergie dans le centre de masse des collisions proton-proton center-mass-energy et 8 TeV. La sélection deséévenements, les principaux bruits de fond, les propriéés du signal, la discrimination statistique entre signal et bruits de fond, ainsi que l'interprétation des ésultats en terme de boson de Higgs du moéle standard sont discués. Dans le canal de désinégration H to gamma+gamma, un excés par rapport au niveau de bruit de fond est clairement visible a une masse mH=126,8 +- 0,2(stat) +- 0,7(syst) GeV et avec une significativité locale de7,4 sigma. En revanche, dans le canal de désinégration rareH to Z+gamma, aucun excés n'est obseré dans la feétre de masse allant de 120 a 150 GeV. Ce résultat est interpéé comme une limiteégalea 11 fois la valeur de la section efficace de production pp to H to Z+gamma prédite par le moéle standard pour une masse du boson de Higgs de mH = 125,5 GeV, proche de celle mesurée dans les canaux engamma+gamma et en quatre leptons. Une reconstruction et une identification efficace des photons, ainsi qu'une connaissance précise des performances du systéme de éclenchement et de l'algorithme d'identification, sont des aspects importants de ces mesures. Une grande partie de ce manuscrit est ainsi consacréea la description de l'optimisation de ces performances et des activités de mesures que j'ai réalisées pendant ces trois années.

Le sujet principal de cette thèse porte sur la recherche d’un boson de Higgs additionnel de plus haute masse à travers sa désintégration en une paire de bosons de jauge Z (H → ZZ(*)) en utilisant les données enregistrées avec l’expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Quatre analyses distinctes sont présentées en fonction du mode de désintégration du boson Z soit une paire de leptons chargés (électrons ou muons), soit une paire de neutrinos soit une paire de quarks ; ces analyses sont appelés ZZ → 4l, 2l2ν, 2l2q et 2ν2q. L’étude utilise 20.3 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton enregistrées au cours de la première phase du LHC (Run-1) à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La stratégie de recherche segmente les données en supposant que les mécanismes de production de bosons de Higgs additionnel sont les mêmes que dans le Modèle Standard (SM), et modélise le signal avec une largeur qui est faible par rapport à la résolution de la masse invariante. La région de masse du boson de Higgs considéré s’étend de 140 GeV jusqu’à 1 TeV. Aucun nouveau boson de Higgs n’a été trouvé. La combinaison de résultats de quatre modes de désintégration donne des limites supérieures sur la section efficace σ de ce boson de Higgs additionnel (σ × H → ZZ(*)) qui s’étend de 359 fb à mH = 200 GeV à 11 fb à mH = 1TeV. Les résultats sont également interprétés dans le contexte des modèles au-delà du SM, à savoir les modèles à deux doublets. L’analyse H → ZZ(*) → 4l est également réalisée au cours de la deuxième phase du LHC (Run-2) en utilisant 3.2 fb⁻¹ de données de collisions de proton-proton enregistrées en 2015 à une énergie à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Aucun excès significatif d’évènements sur la prédiction du MS n’est trouvé. Les limites supérieures sur la section efficace (σ × H → ZZ(*) → 4l) sont de 4.5 fb à mH = 200 GeV et 1 fb à mH = 1 TeV. La dernière partie de la thèse porte sur la caractérisation des détecteurs à scintillation d’ATLAS pour le déclenchement d’un biais minimal dans la région avant (le Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS)) en utilisant les rayons cosmiques. En raison de la dégradation des matériaux provoquée par des dommages dus à l’irradiation dans la première phase de fonctionnement du LHC, les MBTS devaient être remplacés lors de l’arrêt du LHC qui a eu lieu en 2014. Avant leur installation dans ATLAS, ces détecteurs ont été caractérisés en laboratoire en utilisant les rayons cosmiques<br>The main subject of this thesis is the search for an additional heavy Higgs boson through its decay into a pair of Z bosons (H → ZZ(*)) using data recorded with the ATLAS experiment installed at the Large Hadron Collider (LHC). Four distinct analyses are presented, which are distinguished by the decay mode of the Z boson into either a pair of charged leptons (electrons or muons), into a pair of neutrinos or into a pair of quarks, denoted according to final-state, i.e. as 4l, 2l2ν, 2l2q and 2ν2q. The study is performed using 20.3 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the first phase of LHC operation (Run-1) at centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. A search strategy is employed which segments the data according to the Higgs boson production mechanism, assuming that these are the same as in the Standard Model (SM). Furthermore, the signal is modelled with a width that is small compared to the experimental mass resolution. The Higgs boson mass range considered extends up to 1 TeV for all four decay modes and down to as low as 140 GeV, depending on the decay mode. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. A simultaneous fit to the four decay modes yields upper limits on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ branching ratio ranging from 359 fb at mH = 200 GeV to 11 fb at mH = 1 TeV for the gluon-fusion production mechanism, and from 214 fb at mH = 200 GeV to 13 fb at mH = 1 TeV for the vector-boson fusion production mechanism. The results from these four searches are also interpreted in the context of models beyond the SM, namely the Type-1 and Type-2 2 Higgs Doublet Model. The heavy Higgs boson search is also performed with the H → ZZ(*) → 4l decay mode alone using 3.2 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the second phase of LHC operation (Run-2) at an increased centre-of- mass energy of √s = 13 TeV. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. Upper limits are set on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ(*) → 4l branching ratio of 4.5 fb at mH = 200 GeV and 1 fb at mH = 1 TeV. Lastly, a project of a more technical character is presented. In this study, the scintillation detectors employed by ATLAS for triggering with minimal bias in the forward region, the Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS), are characterised. Due to material degradation caused by radiation damage in the early phases of LHC operation, the MBTS had to be replaced during the LHC shutdown taking place in 2014. Before installation in ATLAS, these detectors were characterised in appropriate laboratory facilities using cosmic radiation

Cette thèse s'inscrit dans le contexte des premières années d'exploitation du Large Hadron Collider (LHC). Cet appareil monumental a été construit dans le but d'explorer la physique de l'infiniment petit à l'échelle du TeV. Un des objectifs majeurs du LHC est la recherche du boson de Higgs. Sa découverte validerait le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, au travers duquel les bosons W et Z acquièrent leur masse. L'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) analyse les collisions de protons du LHC. Leur fréquence élevée (20 MHz) permet d'observer des phénomènes rares, comme la production et la désintégration d'un boson de Higgs, mais elle nécessite alors une sélection rapide des collisions intéressantes, par un système de déclenchement. Les ressources informatiques disponibles pour le stockage et l'analyse des données imposent une limite au taux de déclenchement : la bande passante, répartie entre les différents signaux physiques, doit donc être optimisée. Dans un premier temps, j'ai étudié le déclenchement sur les électrons : ils constituent une signature claire dans l'environnement hadronique intense du LHC et permettent à la fois des mesures de haute précision et la recherche de signaux rares. Ils font partie des états finaux étudiés par un grand nombre d'analyses (Higgs, électrofaible, etc.). Dès les premières collisions en 2010, la présence de signaux anormaux dans l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique (ECAL) constituait une source d'augmentation incontrôlée du taux de déclenchement. En effet, leur taux de production augmentait avec l'énergie et l'intensité des collisions : ils étaient susceptibles de saturer la bande passante dès 2011, affectant gravement les performances de physique de CMS. J'ai optimisé l'algorithme d'élimination de ces signaux en conservant une excellente efficacité de déclenchement sur les électrons, pour les prises de données en 2011. D'autre part, l'intensité croissante des collisions au LHC fait perdre leur transparence aux cristaux du ECAL, induisant une inefficacité de déclenchement. La mise en place de corrections hebdomadaires de l'étalonnage du système de déclenchement a permis de compenser cette inefficacité. Dans un second temps, j'ai participé à la recherche du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux leptons tau. Cette analyse est la seule qui puisse actuellement vérifier le couplage du boson de Higgs aux leptons. Le lepton tau se désintégrant soit en lepton plus léger (électron ou muon), soit en hadrons, six états finaux sont possibles. Je me suis concentré sur les états finaux semi-leptoniques (électron/muon et hadrons), où la signification statistique du signal est maximale. Les algorithmes de déclenchement dédiés à cette analyse sélectionnent un lepton (électron ou muon) et un " tau hadronique " d'impulsions transverses élevées. Cependant, cette sélection élimine la moitié du signal, ce qui a motivé la mise en place d'algorithmes sélectionnant des leptons de basse impulsion, incluant une coupure sur l'énergie transverse manquante. Celle-ci limite le taux de déclenchement et sélectionne des évènements contenant des neutrinos, caractéristiques des désintégrations du lepton tau. Les distributions de masse invariante des processus de bruit de fond et de signal permettent de quantifier la compatibilité entre les données et la présence ou l'absence du signal. La combinaison de l'ensemble des états finaux conduit à l'observation d'un excès d'évènements sur un large intervalle de masse. Sa signification statistique vaut 3,2 déviations standard à 125 GeV ; la masse du boson mesurée dans ce canal vaut 122 ± 7 GeV. Cette mesure constitue la toute première évidence d'un couplage entre le boson de Higgs et le lepton tau.

En septembre 2008 le LHC livrera ses premières collisions proton-proton. Auprès du LHC, l'expérience ATLAS est conçue pour explorer un large éventail de phénomènes et traquer les signes de nouvelle physique, qui pourraient se manifester lors de ces interactions. Ainsi, dans le cadre des extensions supersymétriques du Modèle Standard, le boson de Higgs le plus léger pourrait être produit dans les cascades de désintégrations de particules supersymétriques. Nous étudions la possibilité d'observer de tels événements avec le détecteur ATLAS. Tout d'abord, nous examinons la capacité d'ATLAS à mesurer l'énergie manquante due au passage des particules supersymétriques qui échappent à la détection. Ensuite, nous montrons que, pour certaines régions de l'espace des paramètres du modèle de Supergravité Minimale, compatibles avec les dernières recherches au LEP, le plus léger boson de Higgs peut être découvert avec moins de 10 fb^(-1). Ces résultats sont compétitifs avec les canaux standard de production du Higgs. Nous étudions aussi la possibilité de mesurer des quantités liées aux masses et aux couplages des particules supersymétriques impliquées dans ce processus. Enfin, à partir de ces mesures, nous utilisons l'outil SFitter pour réaliser un ajustement global des paramètres du modèle supersymétrique sous-jacent, en montrant ainsi la validité de cette procédure pour contraindre les interprétations théoriques des futures données du LHC.