Observation d’un boson de Higgs et mesure de sa masse dans le canal de désintégration en deux photons avec le détecteur ATLAS au LHC

Observation of a Higgs boson and measurement of its mass in the diphoton decay channel with the ATLAS detector at the LHC

• Auteur / Autrice : Narei Lorenzo Martinez
• Direction : Marumi Kado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 10/09/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marumi Kado, Achille Stocchi, Markus Schumacher, Christopher Seez, Maarten Boonekamp, Lance Dixon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Markus Schumacher, Christopher Seez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étalonnage

Masse (physique) -- Mesure

Calorimètres électromagnétiques

Grand collisionneur de hadrons

Bosons de Higgs

Mots clés libres

Modèle Standard

Boson de Higgs

Masse

Couplages

LHC

ATLAS

Calorimètre Electromagnétique

Electron

Photon

Qualité des Données

Energie

Etalonnage

Matière

Observation

Interférence

Mesure

Standard Model

Higgs boson

Mass

Couplings

LHC

ATLAS

Electromagnetic Calorimeter

Electron

Photon

Data Quality

Energy

Calibration

Material

Observation

Interference

Measurement

Résumé

Le Modèle Standard de la physique des particules prédit l’existence d’un boson scalaire massif, appelé boson de Higgs dans la littérature, comme résultant d’un mécanisme de brisure spontanée de symétrie, qui permettrait de générer la masse des particules. Le boson de Higgs, dont la masse est inconnue théoriquement, est recherché expérimentalement depuis plusieurs décennies. L’expérience ATLAS, au collisionneur LHC, a aussi entrepris cette recherche, depuis le début des collisions de protons à haute énergie en 2010. Un des canaux de désintégrations les plus intéressants à étudier dans cet environnement est le canal en deux photons, car l’état final peut être intégralement reconstruit avec une grande précision. La réponse en énergie des photons est un point crucial dans la recherche du boson de Higgs, car une résonance fine émergeant d’un bruit de fond important est attendue. Dans cette thèse une étude approfondie de la réponse en énergie des photons en utilisant le calorimètre électromagnétique d’ATLAS a été faite. Ces études ont permis de mieux comprendre la résolution et l’échelle d’énergie des photons, et donc d’améliorer la sensibilité de l’analyse d’une part et de mieux estimer les incertitudes expérimentales sur la position du signal d’autre part. Le canal en deux photons a eu un rôle prépondérant dans la découverte d’une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs en Juillet 2012 par les expériences ATLAS et CMS. En utilisant ce canal ainsi que la meilleure compréhension de la réponse en énergie acquise au cours de cette thèse, une mesure de la masse du boson est proposée avec les données collectées durant les années 2011 et 2012 avec une énergie de centre de masse de 7 TeV et 8 TeV.Une masse de 126.8 +/- 0.2 (stat) +/- 0.7 (syst) GeV/c2 est trouvée. L’étalonnage de la mesure de l’énergie des photons avec le calorimètre électromagnétique est la plus grande source d’incertitude sur cette mesure. Une stratégie pour réduire cette erreur systématique sur la masse est discutée.

The Standard Model of the particle physics predicts the existence of a massive scalar boson, usually referred to as Higgs boson in the literature, as resulting from the Spontaneous Symmetry Breaking mechanism, needed to generate the mass of the particles. The Higgs boson whose mass is theoretically undetermined, is experimentally looked for since half a century by various experiments. This is the case of the ATLAS experiment at LHC which started taking data from high energy collisions in 2010. One of the most important decay channel in the LHC environment is the diphoton channel, because the final state can be completely reconstructed with high precision. The photon energy response is a key point in this analysis, as the signal would appear as a narrow resonance over a large background. In this thesis, a detailed study of the photon energy response, using the ATLAS electromagnetic calorimeter has been performed. This study has provided a better understanding of the photon energy resolution and scale, thus enabling an improvement of the sensitivity of the diphoton analysis as well as a precise determination of the systematic uncertainties on the peak position. The diphoton decay channel had a prominent role in the discovery of a new particle compatible with the Standard Model Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments, that occurred in July 2012. Using this channel as well as the better understanding of the photon energy response, a measurement of the mass of this particle is proposed in this thesis, with the data collected in 2011 and 2012 at a center-of-mass energy of 7 TeV and 8 TeV. A mass of 126.8 +/- 0.2 (stat) +\- 0.7 (syst) GeV/c2 is found. The calibration of the photon energy measurement with the calorimeter is the source of the largest systematic uncertainty on this measurement. Strategies to reduce this systematic error are discussed.