Calorimetry and W mass measurement for future experiments

par Marina Béguin

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Elizabeth Locci.

Le président du jury était Maarten Boonekamp.

Le jury était composé de Elizabeth Locci, Maarten Boonekamp, Alain Blondel, Sylvie Braibant, Patrick Janot, Luca Malgeri, Torbjörn Sjöstrand.

Les rapporteurs étaient Alain Blondel, Sylvie Braibant.

  • Titre traduit

    Calorimétrie et mesure de la masse du W pour les futures expériences


  • Résumé

    La mesure précise de la masse du boson W est une composante essentielle pour tester la cohérence globale du Modèle Standard, dont une défaillance pourrait mettre à jour la nouvelle physique. Avec des millions de bosons W prévus, les futures expériences seront des usines à bosons permettant de mesurer sa masse avec une précision inégalée. La mesure de la masse du W est discutée dans le contexte de deux expériences : l'amélioration du détecteur CMS au LHC, le HL-LHC, avec un nouveau bouchon calorimétrique, le HGCal, et à un détecteur pour FCC-ee, un projet circulaire post-LHC. En collision proton-proton, la mesure précise de la masse du boson W dépend de la précision de la mesure du recul hadronique. Cette précision dépend principalement de la définition du recul et des effets induits par le détecteur. La définition du recul est améliorée par des méthodes de machine learning, en utilisant une régression quantile multivariée. Les effets de la granularité, de l'acceptance et de la résolution du HGCal sur le recul sont évalués. Cette étude donne une estimation de la précision sur la masse du boson W qui pourrait être atteinte au HL-LHC. Avant d'estimer les effets de la performance du détecteur sur le recul, la géométrie complète et les paramètres du détecteur ont été ajustés et optimisés. Un fidèle outil de simulation rapide, complément au logiciel de simulation complet de CMS, implémenté pour mener cette étude, est présenté. En collision électron-positron, la masse du boson W peut être déterminée à partir du produit de désintégration de la paire de W. Les incertitudes statistiques sur la masse et la largeur sont estimées en utilisant la méthode du fit cinématique, dans les canaux de désintégration hadronique et semi-leptonique à 162,6 GeV, 240 GeV et 365 GeV. Atteignant une incertitude statistique inférieure au niveau du MeV/c² à toutes les énergies et pour les deux canaux, la mesure de la masse du W devient limitée par les incertitudes systématiques. Un traitement pour réduire l'incertitude systématique engendrée par les effets QCD, la plus large source d'incertitude systématique à LEP, et son impact sur l'incertitude statistique sont également étudiées.


  • Résumé

    The precise measure of the W boson mass is an essential input to a crucial test of the overall consistency of the Standard Model, whose failure might reveal the emergence of new physics. With millions of W bosons expected, future experiments will be W boson factories allowing the measurement of the W mass with unparalleled precision. The W mass measurement is discussed in the context of two experiments: the upgrade of CMS at the LHC, the HL-LHC, with a new endcap calorimeter, the HGCal, and a detector for the FCC-ee, a circular post-LHC project. In proton-proton collisions, the precise measurement of the W mass relies on a precise measurement of the hadronic recoil. Its accurate measurement mainly depends on its definition model and detector effects. The recoil definition is improved with machine learning techniques, using a multivariate quantile regression. The effects of the HGCal granularity, acceptance and resolution on the recoil reconstruction are evaluated. This study gives an estimate of the precision that might be reached on the W mass measurement at HL-LHC. Before evaluating the effect of the detector performance on the recoil, the full geometry and parameters had to be tuned and optimised. An accurate fast simulation tool, complement to the full CMS simulation, implemented to undertake such a study, is presented. In electron-positron collisions, the W mass can be determined from the W-pair decay products. The statistical uncertainties on the W mass and width are estimated using a kinematic fit technique in the hadronic and semi-leptonic channels at 162.6 GeV, 240 GeV and 365 GeV. Reaching a statistical precision below the MeV/c² level at all energies for both channels, the W mass measurement becomes limited by the systematic uncertainties. A treatment to reduce the systematic uncertainty coming from QCD effects, the largest source of systematic uncertainty at LEP, and its impact on the statistical uncertainty are also studied.


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