Mesure de la masse au pôle du quark top à l’aide de sections efficaces ttbar différentielles dans l’expérience ATLAS au LHC et amélioration des incertitudes de modélisation dans les analyses de masse du quark top

Measurement of the top quark pole mass using double differential ttbar cross sections in the ATLAS experiment at the LHC and improvement of the modelling uncertainties in top quark mass analyses

• Auteur / Autrice : Tetiana Moskalets
• Direction : Frédéric Déliot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Serin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matteo Cacciari, Marcel Vos, Maria Aldaya Martin, Veronique Boisvert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matteo Cacciari, Marcel Vos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sections efficaces (physique nucléaire)

Incertitude de mesure

Masse

Quark top

Expérience ATLAS

Mots clés libres

LHC

Quark top

Masse

ATLAS

LHC

Top quark

Mass

ATLAS

Résumé

Le quark top se démarque du reste des particules élémentaires du modèle standard (MS). Étant la particule élémentaire la plus lourde, le quark top ne s'hadronise pas, ce qui permet de mesurer sa masse directement. Le quark top est également la source principale de corrections radiatives dans de nombreux calculs perturbatifs. La détermination précise de la masse du quark top est importante dans les tests de la cohérence du MS. Actuellement, les mesures de la masse du quark top les plus précises utilisent des méthodes "standard", dans lesquelles la distribution de la masse est directement reconstruite. Un point faible principal de ces méthodes est qu'elles sont basées largement sur les simulations Monte Carlo (MC) et permettent d'extraire uniquement une "masse MC du quark top", i.e. liée à un paramètre d'un générateur MC. Les méthodes "alternatives" sont capables de déterminer une masse du quark top théoriquement bien définie car elles mesurent des observables qui peuvent être obtenues à partir de calculs théoriques. Cette thèse de doctorat décrit l'une des alternatives pour la mesure de la masse du quark top, dans laquelle pour la première fois la masse au pôle du quark top est déterminée en ajustant les sections efficaces ttbar doublement différentielles mesurées à 13 TeV avec le détecteur ATLAS aux calculs théoriques au troisième ordre dominant. L'étude se concentre sur les tests de la cohérence de la procédure d'analyse. Un chapitre de cette thèse est également consacré aux études liées aux variations des gerbes partoniques dans le générateur MC Herwig7 pour la production ttbar. Cette étude est motivée par l'importance croissante de l'incertitude sur la modélisation des gerbes partoniques dans les mesures liées au quark top dans ATLAS et par la nécessité de définir cette incertitude de manière plus cohérente. De plus, cette thèse décrit deux analyses visant à mieux comprendre et à améliorer deux composantes importantes de l'incertitude des mesures de masse du quark top: l'incertitude sur la reconnection de couleur et l'incertitude sur l'hadronisation. L'analyse sur la reconnection de couleur se concentre sur l'étude d'observables bidimensionelles sensibles aux modèles de reconnection de couleur dans le générateur MC Pythia8. L'analyse sur l'hadronisation étudie comment le recalibrage des jets influence l'incertitude de l'hadronisation de la masse du quark top à l'aide des simulations MC.

The top quark is unique among the elementary particles of the Standard Model (SM). Being the heaviest elementary particle, the top quark does not hadronise, which allows to measure directly its mass. The top quark is also the main source of radiative corrections in many perturbative calculations. Precise determination of the top quark mass is important in consistency tests of the SM. Currently, the most precise top quark mass measurements employ "standard" methods, in which the top quark mass distribution is directly reconstructed. The main weakness of these methods is that they largely rely on the Monte Carlo (MC) simulations and allow to extract only a "MC top quark mass", which is a parameter of a MC generator. However, the ''alternative'' methods are able to determine a theoretically well-defined top quark mass because they measure observables which can be obtained from theory. This doctoral thesis describes one of the top quark mass alternative measurements, in which for the first time the top quark pole mass is determined by fitting the double differential ttbar cross sections measured at 13 TeV with the ATLAS detector to the next-to-next-to-leading order theoretical calculations. The study is in particular focusing on the consistency tests of the analysis procedure. One chapter of this thesis is also devoted to studies related to parton shower variations in the Herwig7 MC generator in the context of ttbar production. This study is motivated by the increasing importance of the parton shower uncertainty in top quark analyses in ATLAS and a need for its more consistent definition. Also, this thesis describes two analyses aiming at better understanding and improving two important uncertainty components of the top quark mass measurements: the colour reconnection uncertainty and the hadronisation uncertainty. The colour reconnection analysis concentrates on the bayesian unfolding of two-dimensional observables, which are sensitive to the colour reconnection models of the Pythia8 MC generator. On the other hand, the hadronisation uncertainty analysis studies how jet recalibration influences the top quark mass hadronisation uncertainty using MC simulated samples.