Mesure de la section efficace différentielle de production du boson Z se désintégrant en paires électron-position, dans l'expérience ATLAS

Measurement of the differential cross section of the production Z boson decaying into electron-positron pairs in the ATLAS experiment

• Auteur / Autrice : Thi Kieu Oanh Doan
• Direction : Lucia Di Ciaccio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules
• Jury : Président / Présidente : Yannis Karyotakis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucia Di Ciaccio, Theodore Todorov, Terence Richard Wyatt
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Froidevaux, Maarten Boonekamp

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Physique nucléaire

Mots clés libres

Modèle Standard

Boson Z

Électron-positon

Section efficace différentielle

Angle

Phi*_eta

Impulsion transverse

PtZ

7 TeV

ATLAS

LHC

QCD

RESBOS

FEWZ

Générateurs Monte Carlo

QED FSR

PHOTOS

SHERPA

Mesure précise

Incertitude systématiqu

Standard Model

Z boson

Electron-positron

Differential cross section

Angle

Phi*_eta

Transverse momentum

PtZ

7 TeV

ATLAS

LHC

RESBOS

FEWZ

QCD

Monte Carlo generators

QED FSR

PHOTOS

SHERPA

Precise measurement

Systematic uncertainty

Résumé

La première mesure du spectre en phi*_eta du boson Z à 7 TeV a été réalisée dans cette thèse. Cette variable permet de sonder la dynamique de production des Z de façon fine. L’échantillon complet des données enregistrées par ATLAS en 2011 a été utilisé ce qui correspond à 4.7/fb de luminosité intégrée. Les résultats de cette mesure sont publiés dans la Ref. [18] fondé sur la note interne Ref. [69]. La section efficace différentielle de Z->ee en fonction phi*_eta a été mesurée et comparée aux calculs perturbatifs à ordre fixé, avec/sans resommation pour la région des petits phi*_eta. Le code RESBOS fournit la meilleure description des données, cependant il est incapable de reproduire, à mieux de 4%, la forme détaillée de la section efficace mesurée. La section efficace différentielle a également été comparée aux prédictions de différents générateurs Monte Carlo interfacés avec un algorithme de parton shower. Les meilleures descriptions du spectre en phi*_eta mesuré sont données par les générateurs SHERPA et POWHEG+PYTHIA8. La mesure précise de la section efficace différentielle en phi*_eta fournit des informations précieuses pour l’ajustement des codes Monte Carlo. La précision expérimentale typique de cette mesure (~0.5%) est dix fois meilleure que la précision des calculs théoriques et elle est donc aussi précieuse pour contraindre la théorie. La mesure du spectre en ptZ a également été faite pour quantifier l’incertitude systématique de cette mesure en utilisant la grande statistique de l’échantillon de données. Cela permet de comparer deux mesures qui traitent de l’impulsion transverse du boson Z. Dans la plupart du domaine en phi*_eta l’incertitude systématique de la mesure de ptZ est deux fois plus grande que celle de la mesure de phi*_eta. Cette comparaison confirme l’intérêt de la variable phi*_eta. Les résultats présentés dans cette thèse ont beaucoup d’implications pour les études futures. Ajustant les générateurs Monte Carlo en utilisant les résultats de la mesure précise du spectre en phi*_eta minimisera l’incertitude sur leurs paramètres. Une mesure de la section efficace doublement différentielle en ptZ et phi*_eta est intéressante pour mieux comprendre la corrélation entre ces deux variables. La mesure précise du spectre en ptZ utilisant la variable phi*_eta peut être appliquée au spectre en ptW et on sait que des mesures plus fines du ptW sont importante pour une détermination précise de la masse du boson W. De plus, une compréhension précise du spectre en ptZ est importante pour comprendre les propriétés cinématiques de la production du boson de Higgs.

The first measurement of the phi*_eta spectrum of Z bosons at 7 TeV of pp collisions has been studied in this thesis, which is an alternative way to probe the transverse momentum of Z bosons. The full data sample recorded by the ATLAS detector during 2011 run of the LHC was used, which corresponds with 4.7/fb integrated luminosity. The results of this measurement were reported in Ref. [18] supported by the internal note in Ref. [69]. The differential cross section of Z->ee as a function of phi*_eta has been measured and compared to fixed order perturbative QCD calculations with/without a resummation for the low phi*_eta region. Calculations using RESBOS provide the best descriptions of the data. However, they are unable to reproduce the detailed shape of the measured cross section to better than 4%. The differential cross section was also compared to predictions from different Monte Carlo generators interfaced to a parton shower algorithm. The best descriptions of the measured phi*_eta spectrum are provided by SHERPA and POWHEG+PYTHIA8 Monte Carlo event generators. The precise measurement of the differential cross section as a function of phi*_eta provides valuable information for the tuning of MC generators. The typical experimental precision of this measurement (~0.5%) is ten times better than the typical theoretical precision and therefore is valuable to constrain the theoretical predictions further. The ptZ measurement has been also studied to quantify the systematic uncertainty of this measurement using the high statistic data sample. This allows to compare two measurements which both address the physics issues of the Z transverse momentum. In most of the phi*_eta range, the systematic uncertainty of the ptZ measurement is two times larger than the one of the phi*_eta measurement. This comparison confirms the interest for the phi*_eta variable. The measurements presented in this thesis has many implications for future studies. Tuning MC generators using the result of the precise measurement of the phi*_eta spectrum will minimize the uncertainty on the tuned parameters. A double differential cross section measurement as a function of ptZ and phi*_eta is interesting to understand the correlation between ptZ and phi*_eta variables. The precise measurement of the ptZ spectrum using the new variable phi*_eta can be applied to ptZ. More precise measurement of ptZ are important to obtain precise measurements of the W mass. In addition, a precise understanding of the ptZ spectrum is important to understand kinematic properties of Higgs boson production.