Recherche de résonances de haute masse avec les canaux multi-leptons et étude des performances temporelles du Calorimètre à Haute Granularité de CMS

Search for high mass resonances with multi-lepton channels and study of timing performance of the CMS High Granular Calorimeter

• Auteur / Autrice : Axel Buchot Perraguin
• Direction : Christophe Ochando
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 27/04/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau ; 1936-....) - Laboratoire Leprince-Ringuet / LLR
• Jury : Président / Présidente : Yves Sirois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Ochando, Djamel-Eddine Boumediene, Emmanuel Monnier, Julie Malclès, Anne-Catherine Le Bihan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Djamel-Eddine Boumediene, Emmanuel Monnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grand collisionneur de hadrons

Calorimétrie

Bosons de Higgs

Mots clés libres

Particle Flow

Cms

Nouvelle Physique

Lhc

Higgs

Calorimètre

Lhc

Cms

New Physics

Calorimetry

Particle Flow

Higgs

Résumé

Cette thèse prend place à un moment charnière où l’ensemble des données collectées par l’expérience CMS lors du Run-2 du LHC sont disponibles et où la nouvelle génération de détecteurs visant à sonder encore plus loin nos connaissances de la physique sont en train d’être élaborés.Dans cet esprit, cette thèse s’articule autour de deux problématiques, dont la première porte sur l’étude des performances d’un prototype du High Granular Calorimeter (HGCAL) de CMS. Celui-ci s’inscrit dans une vaste campagne d’améliorations à l’horizon de la future phase de vie du LHC, aussi appelé High-Luminosity LHC et qui devrait être mis en place en 2029. Son objectif est de générer dix fois plus de données que pendant l’ensemble de la première phase du LHC, et ceci dans le but de mesurer encore plus précisément les prédictions du Modèle Standard (MS) de la physique des particules, ainsi que d’étudier des phénomènes rares qui ne sont pas observables à l’heure actuelle. L’augmentation de la luminosité sera aussi associée à une importante hausse du nombre d’événements simultanés et de la dose de radiation que vont recevoir les détecteurs. Les détecteurs actuellement en place ne sont pas prévus pour fonctionner dans un tel environnement, et c’est pourquoi les calorimètres aux extrémités de CMS seront remplacer par HGCAL. Celui-ci sera le tout premier calorimètre imageur à base de capteurs en silicium à être utilisé. Pour déterminer sa faisabilité, un premier prototype a été construit et utilisé lors de tests sous faisceaux utilisant des positons et des pions ayant une énergie allant de 20 à 300 GeV. Dans cette thèse, l’accent sera mis sur l’étude des performances temporelles du prototype, en passant par les différentes étapes de la calibration et jusqu’au calcul de la résolution temporelle pour une unique cellule de HGCAL et pour l’ensemble d’une gerbe électromagnétique ou hadronique. Les résultats obtenus lors de cette thèse sont comparés à ceux issus de simulations Monte Carlo et le très bon accord entre les deux confirme la viabilité du concept de HGCAL.La seconde problématique sur laquelle se penche cette thèse est la recherche de résonances à haute masse en utilisant le canal de désintégration, les canaux multi-leptoniques. Une telle recherche s’explique par le fait que le MS ne permet pas de décrire certains phénomènes, mais d’autres théories leur proposent une explication avec notamment l’ajout de nouveaux bosons. L’objectif d’une telle analyse est de regarder s’il existe une résonance ayant une masse comprise entre 200 GeV et 3 TeV pouvant correspondre à un nouveau type de boson scalaire. Pour cela, les 138 fbdollar^{-1}dollar de données collectées par l’expérience CMS lors du Run-2 sont utilisées dans le canal de désintégration dollarHightarrow ZZightarrow 4ldollar. L’intérêt d’utiliser ce canal en particulier est qu’il correspond à l’un des modes de production dominant à haute masse et qu’il possède un état final pleinement reconstruit avec une excellente résolution et un bon rapport signal sur bruit. Cette thèse va tout d’abord présenter comment les différents objets constituants les événements d’intérêts sont reconstruits et sélectionnés. Ensuite, la construction d’un modèle de signal est faite de telle sorte que n’importe laquelle des combinaisons de paramètres de la résonance puissent être comparé aux données. Pour cela, cette modélisation comprend une partie décrivant le signal théorique et une autre qui prend en considération tous les effets du détecteur. Afin de savoir si les données expérimentales peuvent être décrites par le signal construit dans cette thèse, un test statistique est réalisé en maximisant une fonction de vraisemblance prenant en compte le signal, ainsi que les bruits de fond et les interférences entre les deux. En guise de résultats, les limites sur la section efficace du signal attendu, ont été calculées et permettent d’exclure ou non une région de masse dans laquelle peut se trouver une résonance de haute masse.

This thesis takes place at a critical moment when all the data collected by the CMS experiment during the LHC Run-2 are available and when the new generation of detectors aiming to probe even further our knowledge of physics are being developed.In this context, this thesis is structured around two problematics, the first one concerns the study of the performance of a prototype of the CMS High Granular Calorimeter (HGCAL). It is part of a vast campaign of upgrades for the future life phase of the LHC, also known as the High-Luminosity LHC, which should be in service by 2029. It aims to generate ten times more data than during the entire first phase of the LHC, in order to measure even more accurately the predictions of the Standard Model (SM) of particle physics, as well as to study rare phenomena that are not observable currently. The higher luminosity will also be associated with a significant increase in the number of simultaneous events and the radiation dose that the detectors will receive. The current detectors are not designed to operate in such an environment, so the endcap calorimeters of CMS will be replaced by HGCAL. It will be the first imaging calorimeter based on silicon sensors to be used. To determine its feasibility, a first prototype has been built and used in beam tests using positrons and pions with energies ranging from 20 to 300 GeV. In this thesis, the focus will be on the study of the temporal performance of the prototype, through the various stages of calibration and up to the calculation of the temporal resolution for a single HGCAL cell and for the whole electromagnetic or hadronic showers. The results obtained in this thesis are compared with those obtained from Monte Carlo simulations and the very good agreement between both confirms the viability of the HGCAL concept.The second problematic addressed in this thesis is about the search for high mass resonances using the multi-leptonic decay channel. Such a search is explained by the fact that the SM does not describe some phenomena, but other theories propose an explanation with the addition of new bosons. The aim of such an analysis is to see if there is a resonance with a mass between 200 GeV and 3 TeV that could correspond to a new type of scalar boson. For this purpose, the 138 fbdollar^{-1}dollar of data collected by the CMS experiment during Run-2 are used in the dollarHightarrow ZZightarrow 4ldollar decay channel. The interest in using this particular channel is that it corresponds to one of the dominant high-mass production modes and has a fully reconstructed final state with excellent resolution and good signal-to-noise ratio. Firstly, this thesis presents how the different objects constituting the events of interest are reconstructed and selected. Secondly, the construction of a signal model is done in such a way that any combination of the resonance parameters can be compared to the data. For this purpose, this modelling consists of a part describing the theoretical signal and another part that takes into account all the effects of the detector. In order to find out whether the experimental data can be described by the signal constructed in this thesis, a statistical test is performed by maximizing a likelihood function taking into account the signal, as well as the background and interference between both. As a result, limits on the expected signal cross-section are calculated and allow excluding or not a region of mass in which a high mass resonance can be found.