Identification des leptons tau et recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau dans l'expérience D0 auprès du Tevatron

par Romain Madar

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Marc Besancon.

Soutenue le 02-09-2011

à Paris 11 , dans le cadre de École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015) , en partenariat avec DSM/IRFU/SEDI - CEA Saclay (91191 Gif-sur-Yvette) (laboratoire) , Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers (laboratoire) , Service d'Astrophysique (Gif-sur-Yvette (Essonne)) (laboratoire) , Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers (ex DAPNIA) (laboratoire) , Service d'Astrophysique (laboratoire) , Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers (ex DAPNIA) (laboratoire) et de Service d'Astrophysique (laboratoire) .

Le président du jury était Etienne Augé.

Le jury était composé de Marc Besancon, Etienne Augé, Éric Kajfasz, Yves Sirois, Fabrice Couderc, Robert Harlander, Aurélio Juste Rozas.

Les rapporteurs étaient Éric Kajfasz, Yves Sirois.


  • Résumé

    La notion de symétrie de jauge est au coeur de notre compréhension de l'interaction électrofaible et permet d'expliquer l'ensemble des observations expérimentales actuelles. Pourtant, l'incompatibilité intrinsèque entre l'invariance de jauge et la masse des particules nécessite d'introduire une nouvelle particule, le boson de Higgs, toujours non observée à ce jour. Cette thèse présente l'analyse de 7.3/fb de collisions protons-antiprotons à sqrt{s} = 1.96 TeV enregistrées par le détecteur D0 au Tevatron en vue de la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau. Cette analyse vient compléter les canaux principaux dimuons, électron-muon et diélectrons en exploitant également la désintégration H -> WW -> lvlv, majoritaire dans la fenêtre de masse accessible au Tevatron. L'état final contenant un lepton tau, leur identification parmi les jets a été améliorée d'environ 15% grâce au développement de plusieurs idées : l'ajustement des paramètres du réseau de neurones d'identification, la prise en compte de certaines dépendances cinématiques des performances de l'algorithme, l'exploitation du temps de vie du lepton tau et une étude exhaustive visant à inclure la mesure du détecteur de pieds de gerbe dans le processus d'identification. Dans un second temps, la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau étant dominée par le bruit de fond W+jets (où un jet est faussement identifié comme un lepton tau), une méthode a été élaborée pour obtenir une modélisation convenable de ce bruit de fond, non fournie par la simulation par défaut. Cette méthode est basée, entre autres, sur l'étude de la corrélation de charge entre le muon et le candidat tau qui permet de mesurer ce bruit de fond dans les données en excluant la région du signal. Ensuite, l'exploitation des cinématiques et/ou topologies différentes du signal et du bruit de fond a permis d'optimiser cette recherche atteignant alors une sensibilité attendue (observée) de 7.8 (6.6) fois le Modèle Standard pour une masse de 165 GeV/c2. Enfin, l'interprétation de l'analyse dans un scénario à quatre familles de fermions a été effectuée. Pour la première fois, cette analyse est incluse dans les combinaisons D0 et Tevatron présentées à Moriond EW et EPS 2011.

  • Titre traduit

    Identification of tau leptons and Higgs boson search in the mu+tau final state at the D0 experiment at the Tevatron


  • Résumé

    The gauge symmetry is the heart of our understanding of the electroweak interaction and describes all the current experimental results. However, the intrinsic incompatibility between the gauge invariance and the mass of particles leads to the introduction of a new particle, the Higgs boson, for which we have no experimental evidence as of today. This thesis describes the Higgs boson search in the mu+tau final state in 7.3/fb of protons-antiprotons collisions at sqrt{s} = 1.96 TeV collected by the D0 detector at the Tevatron. This analysis completes the golden channels (dimuons, electron-muon, dielectrons) exploiting the decay chain H-> WW ->lvlv, which is the main Higgs boson decay mode in the mass window accessible to the Tevatron. Since the final state includes a tau lepton, work was done to improve their identification among jets. An increase of 15% was achieved thanks to the the following : changing tuning parameters for the tau identification neural network, use of the kinematical dependence of the algorithm performances, incorporation of the tau lepton life time information and full study of the additionnal information coming from the central preshower measurements. Then, since the dominant background of the mu+tau Higgs boson search is W+jets (where one jet fakes a tau), a method was developed to obtain good modeling of this background, not provided by the default simulation. This method is based, among other things, on the charge correlation between the muon and the tau candidate which allows for calibration of this background in the data excluding the signal region. Finally, all the kinematic and/or topological differences between the signal and the background were exploited to optimize this search, reaching an (observed) expected sensitivity of 7.8 (6.6) times the Standard Model for mH = 165 GeV/c2. In addition, this result was also interpreted in a fourth fermion generation scenario. For the first time, this analysis is included in the D0 and Tevatron combinations, both presented at Moriond EW and EPS 2011.


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