Étalonnage des jets et mesures précises de sections efficaces de production de jets avec les données de l'expérience ATLAS

Calibration of jets and accurate measurements of jet production cross-sections with data from the ATLAS experiment

• Auteur / Autrice : Louis Ginabat
• Direction : Mélissa Ridel, Bogdan Malaescu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Luca Scotto Lavina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matt LeBlanc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergey Barsuk, Suzanne Gascon-Shotkin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grand collisionneur de hadrons

Sections efficaces (physique nucléaire)

Jets (physique nucléaire)

Expérience ATLAS

Mots clés libres

ATLAS

Jets

Section efficace

Étalonnage

LHC

Run 2

ATLAS

Jets

Cross-section

Calibration

LHC

Run 2

Résumé

Le modèle standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires qui constituent la matière, ainsi que trois des quatre forces fondamentales. Il n’est presque pas remis en cause par les données expérimentales, ce qui n’indique pas de brèche évidente où la Nouvelle Physique pourrait se situer. Cette thèse se concentre sur une stratégie pour tester le MS, la comparaison de ses prédictions avec des mesures de précision, et sur un aspect de la section Chromo-Dynamique Quantique (QCD) du MS : les jets. Le travail présenté ici utilise les données collectées par l’expérience ATLAS, située au CERN, à partir de collisions pp à 13 TeV produites par le LHC pendant la période de prise de données du Run 2. Les jets sont l’une des principales observables au LHC en raison de leur section efficace de production élevée, présents dans la plupart des analyses soit comme signal, soit comme bruit de fond. Il s’agit de gerbes collimatées de hadrons issus de l’hadronisation d’un quark ou d’un gluon. Les hadrons produisent des traces dans les trajectographes d’ATLAS et des dépôts d’énergie dans ses calorimètres, qui doivent ensuite être regroupés pour former des « jets reconstruits ». Les jets de particules et les jets reconstruits présentent des différences dans leurs observables, comme leur quantité de mouvement transverse pT, en raison d’effets de détecteur qui doivent donc être corrigés pour permettre des comparaisons entre la théorie et l’expérience. Deux stratégies de correction sont discutées dans cette thèse : l’étalonnage et la déconvolution, pour corriger les effets de détecteurs respectivement dans l’échelle et la résolution des observables. J’ai travaillé sur l’inter-étalonnage en pseudo-rapidité η, une des étapes de la chaîne de corrections de l’échelle d’énergie des jets (JES). Cet étalonnage in situ rend la réponse du détecteur homogène sur toute la plage en η du détecteur, en exploitant la conservation de pT dans les systèmes dijets. J’ai produit l’étalonnage pour la période de prise de données 2018 pour la première fois, en effectuant toutes sortes de vérifications pour m’assurer de sa qualité. J’ai également travaillé sur l’implémentation « absolue » de cette méthode, qui vise à déconvoluer les effets de physique des effets de détecteur, afin de mieux les comprendre séparément. Cela a permis de réduire de 50 % l’incertitude de modélisation qui était dominante dans la tranche de 25 à 40 GeV. Cela m’a également permis d’effectuer une vérification importante au niveau des particules, à savoir que les incertitudes conçues pour couvrir les effets physiques ne sont pas sous-estimées. En outre, j’ai contribué à deux mesures de sections efficaces de production de jets, des mesures de précision doublement différentielles qui comptent les jets dans des tranches de pT et de rapidité |y|. La section efficace inclusive compte tous les jets produits au-delà d’un certain seuil en pT, tandis que la section efficace de jets dominants n’en compte qu’un par événement : celui qui a le pT le plus élevé. Les effets de la résolution de l’énergie des jets (JER) sont corrigés par une méthode de déconvolution itérative stabilisée dynamiquement (IDS). Les incertitudes systématiques sur la JES et la JER ont été propagées à travers la déconvolution, utilisant la méthode Bootstrap pour évaluer les incertitudes statistiques ainsi que les corrélations. J’ai amélioré l’évaluation du biais lié à la sensibilité de la méthode de déconvolution aux différences de forme entre les données et le MC, et j’ai évalué l’impact de la non-gaussianité de la JER avec une nouvelle incertitude. Les résultats de la section efficace inclusive de production de jets sont montrés et comparés aux prédictions théoriques, manifestant un désaccord important qui est traité par de multiples stratégies, comme l’utilisation d’incertitudes statistiques non lissées de l’inter-étalonnage en η.

The Standard Model (SM) of particle physics describes the elementary particles that constitute matter, as well as three of the four fundamental forces. It remains almost unchallenged by experimental data, thus not indicating any clear breach where New Physics could be located. This thesis focuses on one strategy to test the SM, the comparison of its predictions to precision measurements, and on one aspect of the Quantum ChromoDynamics (QCD) section of the SM: jets. The work presented here uses data collected by the ATLAS experiment, located at CERN, from 13 TeV pp collisions produced by the LHC during its Run 2 data-taking period. Jets are one of the main observables at the LHC due to their high production cross-section. They are collimated sprays of hadrons, stemming from the hadronization of a quark or gluon. The hadrons produce tracks in the tracking systems of ATLAS and energy deposits in its calorimeters, which then need to be clustered together to form "reconstructed jets". Particle jets and reconstructed jets show differences in their observables, like their transverse momentum pT, due to detector effects which therefore need to be corrected for, to enable comparisons between theory and experiment. Two such strategies are discussed in this thesis: calibration and unfolding, to correct for the detector effects respectively in the scale and the resolution. I have worked on the η-intercalibration, one of the steps of the corrections chain of the Jet Energy Scale (JES). This in situ calibration makes the detector response homogeneous across the whole pseudo-rapidity η range of the detector, by exploiting the transverse momentum pT conservation in dijet systems. I produced the calibration for the 2018 data-taking period for the first time, making all sorts of cross-checks to ensure its quality. I also worked on the "absolute" implementation of this method, that aims at disentangling the physics effects from the detector effects, to better understand them separately. This led to the reduction by 50 % of the modeling uncertainty that was dominant in the 25 to 40 GeV bin. It also allowed me to make the important verification at particle level that the uncertainties designed to cover for physics effects are not underestimated. Furthermore, I contributed to the inclusive and leading jet production cross-section measurements, two double differential precision measurements that count jets in bins of pT and rapidity |y|. While the inclusive measurement counts every single jet produced above a certain pT threshold, the leading jet measurement only counts one per event: the one with the highest pT. The Jet Energy Resolution (JER) effects are corrected for by the Iterative Dynamically Stabilized unfolding (IDS) method. Systematic uncertainties on the JES and JER have been propagated through the unfolding, using the Bootstrap method to evaluate the statistical uncertainties as well as correlations. I have improved the evaluation of the bias related to the sensitivity of the unfolding method to the shape differences between data and MC, and I evaluated the impact of the non-Gaussianity of the JER in a new uncertainty. Results of the inclusive jet production cross-section are shown and compared to theoretical predictions in this thesis, exhibiting an important disagreement that is being addressed by multiple strategies, like the use of non-smoothed statistical uncertainties of the η-intercalibration.