Recherche de nouvelles résonances a haute masse dans l'état final dilepton et calibration du démonstrateur pour l'upgrade Phase-1 du calorimètre électromagnétique dans l'expérience ATLAS

Search for new heavy resonances in the dilepton final state and calibration of the LAr Phase-1 Upgrade demonstrator at the ATLAS experiment

• Auteur / Autrice : Peter Johannes Falke
• Direction : Tetiana Berger-Hrynova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 20/09/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy de physique des particules (Haute-Savoie, France ; 1976-....)
• Jury : Président / Présidente : Edwige Tournefier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andreas Hoecker, Gautier Hamel de Monchenault
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Manuel Pérez-Victoria, Philippe Schwemling

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérience ATLAS

Particules (physique)

Mots clés libres

Lhc

Atlas

Dilepton

Physique au delà du Modèle Standard

Calorimètre

Mise à niveau Phase-I

Lhc

Atlas

Dilepton

Physics beyond the Standard Model

Calorimeter

Phase-I upgrade

Résumé

Le Modèle standard (MS) de la physique des particules a été testé avec une grande précision par diverses expériences au cours des dernières décennies et aucun écart significatif n'a été constaté jusqu'à présent. Le LHC est une machine parfaite pour la recherche de nouveaux phénomènes, car il permet d'atteindre des énergies considérablement plus élevées que celles des accélérateurs précédents. Le Run 2 du LHC couvre la période de collecte des données allant de 2015 à 2018, au cours de laquelle des collisions proton-proton d'une énergie au centre de la masse de 13 TeV ont été enregistrées. La luminosité intégrée totale utilisable par les analyses ATLAS pour le Run 2 est de 139 fb⁻¹.De nombreuses théories au-delà du Modèle standard prédisent des résonances supplémentaires qui peuvent se désintégrer leptoniquement. Cette thèse présente une recherche de résonances dans les états finaux diélectron et dimuon dans la fourchette de masse de 250 GeV à 6 TeV, basée sur l'ensemble de données Run 2. L'estimation du bruit de fond dans l'analyse est effectuée en ajustant une forme fonctionnelle aux données. Une forme de signal générique est choisie afin de faciliter la réinterprétation des limites sur la section efficace dans le volume fiduciel. Des limites inférieures pour la masse de nouvelles résonances sont mesurées pour des modèles de référence. Pour le boson Z′ᵩ motivé par la symétrie E6, la limite mesurée dans le canal dilepton est de 4.5 TeV. Cette recherche est une des analyses les plus importantes de l'expérience ATLAS.En plus des modes de désintégration dileptoniques, de nouvelles résonances à haute masse peuvent se désintégrer dans d'autres états finaux tels que des paires de bosons W et Z du MS, des paires VH avec V∈{W,Z} et le boson de Higgs H du MS, ou des paires lepton-neutrino. La combinaison de recherches dans différents canaux de désintégration permet d'étendre le potentiel de la découverte en exploitant leur complémentarité. La combinaison des états finaux VV, VH, lv et dilepton avec 36.1 fb⁻¹ de données de 2015-2016 est détaillée dans ce document.L'augmentation de la luminosité instantanée du LHC au cours de la prochaine période de prise de données (Run 3) nécessite une mise à niveau de l'électronique de déclenchement du calorimètre à argon liquide (LAr) d'ATLAS. La nouvelle électronique décuple la granularité de l'information LAr fournie au premier niveau du système de déclenchement et permettra une sélection plus fine au niveau hardware du déclenchement. Pour tester les pré-prototypes de l'électronique mise à niveau, un système de démonstration in-situ a été installé au début du Run 2, afin de collecter les données avec la nouvelle lecture en parallèle à l'actuelle. L'étalonnage de l'énergie et de l'information en temps du système démonstrateur sont présentés dans cette thèse. D'autres études détaillées, réalisées à partir de données recueillies en 2017, comprennent la comparaison de la reconstruction de l'énergie et de l'information en temps entre le système démonstrateur et le système LAr standard, l'information sur la forme des cascades au niveau de l'événement et la prédiction de la forme des impulsions d'ionisation, parmi d'autres mesures. Un bon accord avec les performances attendues est obtenu, démontrant l'état de préparation du système pour la prise de données du Run 3.

The Standard Model (SM) of particle physics was tested to a high precision at various experiments in the last decades and no significant deviation has been found so far. The LHC is a perfect machine to search for new phenomena, as its energy reach is considerably higher than that of previous accelerators. The so-called Run 2 of the LHC covers the data taking period between 2015 and 2018, during which proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV were recorded. The full Run 2 integrated luminosity to be used by the ATLAS analyses is 139 fb⁻¹.Many theories beyond the Standard Model predict additional resonances that can decay leptonically. A search for dielectron and dimuon resonances in the 250 GeV to 6 TeV mass range, based on the full Run 2 dataset, is presented in this thesis. The background estimation in the analysis is performed by fitting a functional form to the data. A generic signal shape is chosen in order to facilitate reinterpretations of the fiducial cross-section limits. Lower resonance mass limits are set for benchmark models, and reach 4.5 TeV for the E6-motivated Z′ᵩ boson in the dilepton channel. This search is one of the flagship analyses of the ATLAS experiment.In addition to the dileptonic decay modes, heavy new resonances can decay into other final states such as pairs of SM W and Z bosons, VH pairs with V∈{W,Z} and H as the SM Higgs boson, or pairs of a lepton and a neutrino. Combining searches in various decay channels extends the discovery reach by exploiting their complementarity. The combination of the VV, VH, lv and dilepton final states with 36.1 fb⁻¹ of 2015-2016 data is detailed in this document.The increased instantaneous luminosity of the LHC in the next data-taking period (Run 3) requires an upgrade of the ATLAS liquid argon (LAr) calorimeter trigger electronics. The new electronics increase tenfold the granularity of the LAr information provided to the first level of the trigger system and will enable a more advanced selection at the hardware level of the trigger. To test pre-prototypes of the upgraded electronics, an in-situ demonstrator system was installed at the start of Run 2 to collect data with the new read-out in parallel to the current one. The energy and timing calibration of the demonstrator system is presented in this thesis. Further detailed studies, performed with data collected in 2017, include the comparison of the energy and timing reconstruction between the output of the upgraded system and the standard LAr read-out, event-level shower shape information and pulse shape predictions, among other measurements. A good agreement with the expectation is found, demonstrating the readiness for the Run 3 data-taking period.