Sélection des électrons et recherche du boson de Higgs se désintégrant en paires de leptons tau avec l'expérience CMS au LHC

Electron selection and search for the Higgs boson decaying into tau leptons pairs with the CMS detector at the LHC

• Auteur / Autrice : Nadir Daci
• Direction : Alexandre Zabi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des hautes énergies
• Date : Soutenance le 30/10/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire Leprince-Ringuet
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Brient
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Zabi, Jean-Claude Brient, Emmanuel Perez, Arnaud Lucotte, Fabian Zomer, Marumi Kado, Tommaso Tabarelli de Fatis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Perez, Arnaud Lucotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désintégration semileptonique

Particules (physique)

Bosons de Higgs

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

LHC

CMS

Higgs

Tau

Électron

Système de déclenchement

LHC

CMS

Higgs

Tau

Electron

Trigger system

Résumé

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.

This thesis fits into the first operating years of the Large Hadron Collider. This monumental machine was built to explore the infinitesimal structure of matter at the multi-TeV scale. The LHC aimed primarily at searching for the Higgs boson, the discovery of which would confirm the electroweak symmetry breaking model. This mechanism, which provides W and Z bosons with a mass, describes the transition from a unified electroweak interaction to a weak interaction (short range) and an electromagnetic interaction (infinite range). The LHC's proton collisions, operated at a 50 ns period, are analysed by 4 large detectors, including the Compact Muon Solenoid (CMS). This small period allows to observe very rare phenomena, such as the Higgs boson production and decay, but it requires a fast online selection of the interesting collisions: the trigger system. The computing resources available for the data's storage and analysis set a limit to the trigger rate. Therefore the bandwidth, which is split into several physics signals, must be optimised. Firstly, I studied the electron trigger: electrons are a clear signature in the intense hadronic environment within the LHC and allow a high measurement accuracy, as well as a search for rare signals. Besides, they are part of the final states investigated by a large number of analyses (Higgs, electroweak, etc). From the first collisions in 2010, anomalous signals in the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) were a source of uncontrolled trigger rate increase. Indeed, their production rate increased along with the collisions' energy and intensity: they were likely to saturate the bandwidth as early as 2011, crippling drastically the CMS physics performances. I optimised the anomalous signal rejection algorithm, while conserving an excellent electron triggering efficiency, as regards the data collected in 2011. Moreover, the increasing intensity of the LHC collisions causes a loss of transparency in the ECAL crystals. The setting-up of weekly corrections to the ECAL trigger calibration helped make up for the inefficiency caused by this loss of transparency. Secondly, I contributed to the search for the Higgs boson decaying to 2 tau leptons. So far, this analysis proved to be the only possible method to check the coupling of the Higgs boson to leptons. The tau lepton decays either into lighter leptons (electron or muon), or into hadrons: hence the study of six final states. I focused on the semileptonic final states, in which the expected signal is the most statistically significant. The trigger algorithms dedicated to this analysis select a lepton and a hadronic tau, with high transverse momenta. However, this selection removes half of the signal, which motivated the elaboration of new algorithms selecting low momenta leptons, including a cut on the missing transverse energy. This cut helps controlling the trigger rate and selects events containing neutrinos, which are a distinguishing feature of the tau lepton decay. The invariant mass distributions for all background and signal processes allow to quantify the compatibility between the acquired data and the presence of a signal. The combination of all final states leads to the observation of an excess of events over a large mass range. Its statistical significance is 3,2 standard deviations at 125 GeV ; the boson mass measured in this channel is 122 ± 7 GeV. This measurement is the first evidence for a coupling between the Higgs boson and the tau lepton.