Recherche d'un second boson de Higgs de masse mH < 110 GeV dans le canal di-photon au sein de l’expérience CMS au LHC

Search for a second Higgs boson with mass mH < 110 GeV in the di-photon channel of the CMS experiment at the LHC

• Auteur / Autrice : Camille Camen
• Direction : Suzanne Gascon-Shotkin, Morgan Lethuillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique Nucléaire de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Corinne Augier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Suzanne Gascon-Shotkin, Djamel-Eddine Boumediene, Barbara Clerbaux, Linda Finco
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Djamel-Eddine Boumediene, Barbara Clerbaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Bosons de Higgs

Théories de grande unification

Modèle standard (physique)

Mots clés libres

Higgs

Physique

ECAL

CMS

Cern

Diphoton

Higgs

Physics

ECAL

CMS

Cern

Diphoton

Résumé

Le modèle standard (MS), qui décrit les constituants élémentaires de la matière ainsi que 3 forces fondamentales, ( interaction forte, faible, électromagnétique) est une théorie qui a fait ses preuves notamment avec la découverte en 2012 au LHC (Large Hadron Collider) du boson de Higgs par les expériences Atlas et CMS, particule centrale de la théorie. Prédit en 1964 par 3 équipes de théoriciens ( Higgs, Englert et Brout, Hagen, Guralnik et Kibble ), le boson de Higgs a été imaginé pour répondre à la problématique suivante: comment donner une masse aux bosons Z et W (mesurée expérimentalement) sans briser l’invariance de jauge du MS ? Avec l’ajout d’un doublet de champ scalaire complexe dans le MS et à travers le mécanisme de brisure spontanée de la symétrie électrofaible, des termes de masse sont générés pour les bosons Z et W, ainsi que pour les fermions via les couplages de Yukawa. Une nouvelle particule est également prédite: le boson de Higgs. Néanmoins le MS reste une théorie incomplète puisque plusieurs zones d’ombre, comme l'absence de la gravitation ou l'origine de la masses des neutrinos sont présentes. Dans l’optique de pallier à ces divers problèmes, des théories dites ``au delà`` du MS ont été imaginées, certaines prédisant des bosons de Higgs supplémentaires. C’est dans le cadre de ces modèles que s’effectue la recherche d’un boson de Higgs supplémentaires à basse masse (< 110 GeV) se désintégrant en deux photons. La canal diphoton a l’avantage d’être une signature claire au sein d’un collisionneur hadronique, mais il possède également une section efficace non négligeable dans ce domaine de masse par rapport au canal ZZ, et une bonne résolution en masse invariante. Les travaux présentés dans cette thèse ont été effectués dans le cadre de l’expérience CMS au LHC. Après avoir rappelé le contexte théorique, et présenté l'architecture et le fonctionnement du détecteur CMS, la reconstructions des photons sera abordée. La méthode de l'extraction de l'échelle d'énergie de ces derniers à l'aide des désintégrations Z->mmg est exposée. La recherche d’un second boson de Higgs de basse masse (< 110 GeV) dans le canal diphoton fait l’objet de la deuxième partie. Les motivations, et la méthodes sont exposées en détails. Les résultats de l'analyse finale des données enregistrées pendant l'année 2016 du run 2 (soit une luminosité intégrée de 39.5 fb^-1 collectée à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV) sont présentés.

The standard model (SM) describes the elementary components of matter and 3 fundamental forces (strong interaction, weak interaction and electromagnetism). This theory has proven its value, especially with the discovery of the Higgs boson in 2012 at LHC (Large Hadron Collider) with both CMS and Atlas experiments. The Higgs boson is an essential particle, first predicted in 1964 by 3 theoreticals teams ( Higgs, Englert et Brout, Hagen, Guralnik and Kibble ). It was imagined to solve the following issue: how to give a mass to Z and W bosons (experimentally measured) without breaking the gauge invariance of the SM. By adding a complex scalar field doublet in the SM and through the symmetry breaking mecanism, mass terms are generated for W and Z bosons, and for fermions via Yukawa couplings. A new particle is also predicted: the Higgs boson. Nevertheless the SM remains an incomplete theory since several issues are not yet solved, like the absence of gravitation or the origin of neutrino mass. Trying to solve this issues, new theories called beyond standart model theories, were created, some of them predicting additional Higgs bosons. The search for an additional low mass Higgs boson (<110 GeV) decaying into two photons is performed within this framework of new models. The diphoton channel has not only the advantage of being a clear signature inside a hadron collider, but also has a non negligible cross section in this mass range compared to the ZZ channel, and a good invariant mass resolution. The study presented in this thesis was performed with the CMS experiment at LHC. After reviewing the theoretical context, and presented the architecture and the operation of the CMS detector, the photon reconstruction will be discussed. The energy scale extraction method with z->mmg events is detailed. The search for an additional low mass Higgs boson (<110 GeV) in the diphoton channel is the subject of the second part of the document. Motivations ans methods are exposed. The final results of the data analysis recorded in year 2016 during run 2, with an integrated luminosity of 39.5 fb^-1 and a center of mass energy of 13 TeV are finally presented.