Recherche d’un boson de Higgs additionnel léger se désintégrant en deux photons au sein de l’expérience CMS au LHC et interprétations

Search for an additional low mass Higgs boson in the diphoton channel within the CMS experiment in the LHC and interpretations

• Auteur / Autrice : Antoine Lesauvage
• Direction : Suzanne Gascon-Shotkin, Morgan Lethuillier, Aldo Deandrea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 03/09/2021
• 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 des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Anne Ealet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Suzanne Gascon-Shotkin, Rosy Nikolaidou, Pascal Vanlaer, Grégory Moreau, Nicolas Berger, Gautier Hamel de Monchenault, Nazila Mahmoudi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rosy Nikolaidou, Pascal Vanlaer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Accélérateurs de particules

Bosons de Higgs

Particules (physique)

Mots clés libres

Boson de Higgs

BSM

Photons

ECAL

Phénoménologie

CMS

Basse masse

Physique des particules

Higgs boson

BSM

Photons

ECAL

Phenomenology

CMS

Low mass

Particle Physics

Résumé

Ce manuscrit présente la recherche d'une nouvelle particule au sein du détecteur CMS au LHC (CERN). On y détaille notamment l'analyse permettant la recherche d'un boson de Higgs additionnel de masse inférieure à 125 GeV qui se désintégrerait en deux photons ainsi que des interprétations phénoménologiques présentant de telles particules. L'existence d'un nouveau boson de Higgs est, en effet, motivée par de nombreuses théories allant au-delà du Modèle Standard de la physique des particules, dont quelques unes sont présentées ici. Le détecteur CMS est aussi décrit afin de comprendre en profondeur la physique présentée dans l'analyse. Le canal de désintégration étudié étant le canal diphoton, il est important d'étudier en détails la façon dont les photons sont reconstruits et identifiés au sein du détecteur CMS. Les corrections apportées à l'énergie des photons sont notamment cruciales pour les analyses travaillant sur des bosons de Higgs. On explicite ici, à cet effet, une méthode de validation de l'échelle d'énergie des photons sur des échantillons de photons. On est alors en mesure de présenter les méthodes d'analyse de données, utilisant notamment des méthodes d'apprentissage automatisé, pour la recherche d'un nouveau boson de Higgs de basse masse et les résultats obtenus pour les prises de données des années 2017 et 2018. Dans cette continuité, différentes pistes d'amélioration à mettre en place, notamment en ce qui concerne la modélisation de la composante Drell-Yan du bruit de fond de l'analyse, seront aussi abordées. Finalement, des interprétations phénoménologiques seront présentées dans l'objectif de poser des contraintes sur des modèles théoriques spécifiques et de statuer sur la possibilité de découvrir d'autres bosons de Higgs additionnels au LHC et dans les collisionneurs de particules à venir.

This thesis presents the search for a new particle within the CMS experiment in the LHC (CERN). The search analysis for an additional low mass (lower than 125 GeV) Higgs boson decaying into two photons is shown with some phenomenological interpretations. The very existence of this new Higgs boson is, indeed, motivated by a lot of beyond the Standard Model theories, some of which contain low mass Higgs bosons and are presented here. The CMS detector is described so that one can understand the physical aspects of the search analysis. It is also essential that the way photons are reconstructed and identified, within the CMS detector, is studied because of the diphoton decay channel that is considered in this thesis. Especially, the reconstructed photon energy needs to be corrected to account for energy leakage within the CMS electromagnetic calorimeter and a dedicated method, that enables the validation of such corrections on photons, is presented here. With this in mind, the search analysis methods, widely using multivariate variable tools, which goal is to find a new low mass Higgs boson are shown together with the derived results using 2017 and 2018 data years. Following this step, some elements and discussions for analysis improvements, especially concerning the modeling of the Drell-Yan background, will be studied. Finally, constraints on some theoretical models are derived and the possibility of discovering other Higgs bosons at the LHC and in future colliders is discussed thanks to phenomenological works.