Recherche de photons sombres avec l'experience HPS au JLab

Dark Photon Search with the HPS Experiment at JLab

• Auteur / Autrice : Ani Simonyan
• Direction : Michel Guidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 18/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Orsay, Essonne ; 1956-2019)
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Guidal, Elias Khan, Stepan Stepanyan, Achim Denig, Eric Armengaud, Marco Battaglieri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stepan Stepanyan, Achim Denig

Mots clés

Mots clés libres

Photon lourd

Hps

Paraphoton

Photon sombre

Recherche de photons sombres

Dark photon

Heavy photon

Dark sector photon

Paraphoton

JLab

Heavy Photon Search

Résumé

L'expérience HPS (Heavy Photon Search) au Jefferson Lab (USA)recherche un nouveau boson de jauge vecteur, nommé ''photon lourd'' ou ''photon sombre'', dans une fourchette de masse allant de 20 à 1000 MeV. Une telle particule couplerait avec le photon du modèle standard par effet de ''kinetic mixing'' et pourrait ainsi être émis par l'intermédiaire d'électrons. En utilisant un faisceau d'électron de haute intensité d’un à six GeV envoyé sur une cible de tungstène, HPS cherche à détecter une fine résonance dans le bruit de fond produit par les processus QED qui serait la signature d'un photon lourd. HPS exploitera aussi le fait qu'à très petit couplages, le photon lourd se désintègrera après une distance détectable, fournissant ainsi une seconde signature sous la forme d'un vertex éloigné de la cible. Dans cette thèse, je présente les motivations pour une telle recherche de photon lourd dans ce domaine spécifique de l'espace de phase, puis je présente le spectromètre HPS, en détaillant en particulier le calorimètre électromagnétique qui a été l'un de mes sujets d'étude. Ensuite, je présente mon travail utilisant une intégration Monte-Carlo pour calculer la section efficace des processus QED attendus dans l'expérience HPS. Finalement, je présente dans cette thèse mon analyse de donnée pour la recherche d'un pic sur le bruit de fond QED dans les données acquises au printemps 2015.

The heavy photon search (HPS) experiment in Jefferson Lab (USA) is looking for a new vector gauge boson, called ''heavy photon'' or ''dark photon'', in a mass range of 20 MeV to 1000 MeV. Such particle can couple to the standard model photon through kinetic mixing and therefore can be radiated in electron scatterings. Using a high intensity, one to six GeV electron beam sent onto a tungsten target, HPS will look for a narrow resonance above the QED background that would be a signature of a dark photon. HPS will also exploit the fact that for small couplings, this dark photon would also travel a detectable distance before decaying, providing a second signature in the form of a vertex away from the target. In this thesis, I will present the motivations to look for such a dark photon in this particular domain of phase space, then present the HPS spectrometer, with a particular focus on the electromagnetic calorimeter which was a focus of my work. Then, I will present my work using a Monte-Carlo integration to calculate the cross section of the expected background QED processes for the HPS experiment. The final part of my work presented in this thesis will be focused on my data analysis, looking for a bump on the QED background, I carried out using data taken in Spring 2015.