Étude de l'autocouplage du boson de Higgs avec le détecteur ATLAS au LHC. Performance d'un détecteur en temps pour la phase de Haute luminosité du LHC.

Study of the Higgs self coupling in ATLAS detector at LHC. Study of performances of the timing detector for the high luminosity phase of LHC

• Auteur / Autrice : Océane Perrin
• Direction : Djamel-Eddine Boumediene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Particules, Interactions, Univers
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de Clermont
• Jury : Président / Présidente : Dominique Pallin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Manzoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Viret, Sophie Trincaz-Duvoid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bosons de Higgs

Expérience ATLAS

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Boson de Higgs

Autocouplage du higgs

Experience ATLAS

Haute Luminosité-LHC

Higgs boson

Higgs self coupling

ATLAS Experiment

High luminosty LHC

Résumé

Une particule ayant une masse de 125 GeV a été observée en 2012 grâce au grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider - LHC) par les collaborations ATLAS et CMS. Cette particule fut associée au boson de Higgs ou boson BEH, dont l'existence fut prédite en 1964 par François Englert, Robert Brout et Peter Higgs. Cette particule permit de valider l'existence du mécanisme BEH, expliquant l'origine de la masse des particules découverte dès lors et de la brisure de symétrie électrofaible.Depuis sa découverte, il est devenu crucial de sonder les différentes propriétés que l'on confère au boson de Higgs. En particulier, l'auto-couplage du boson de Higgs est une des propriétés les plus attendues et une mesure de ce paramètre permettrait d'obtenir une mesure directe du potentiel de Higgs dans le vide. Cette mesure se réalise grâce à la production de di-Higgs au LHC, en exploitant différents canaux de désintégrations.Cette thèse porte sur l'étude de la désintégration de la paire de boson de Higgs en deux leptons légers de même charge (appelé signature ou 2lSS), dans le cadre du Run2 du LHC correspondant à une luminosité intégrée de 139 fb⁻¹ et une énergie de centre de masse de √s = 13TeV. L'étude utilise des simulations Monte-Carlo et vise à développer une stratégie basée sur le machine Learning afin de maximiser la distinction entre le signal (2lSS issues de la désintégration de la paire de Higgs) et les bruits de fond (ensemble des processus produisant la signature). Une étude sur l'estimation des bruits de fond ainsi que sur l'estimation des incertitudes systématiques y sont aussi présentées.Enfin, bien que la mesure de l'auto-couplage puisse être contrainte par le Run2, sa mesure directe est attendue pour la phase de haute luminosité du LHC (HL-LHC). Cette phase implique une augmentation de la luminosité instantanée par un facteur 5, nécessitant une actualisation du détecteur ATLAS afin de garantir des performances comparables à celles du Run2, malgré l'augmentation des radiations et de l'effet d'empilement. De ce fait, un nouveau détecteur en temps à haute granularité (HGTD) sera ajouté. Une étude portant sur l'électronique de lecture de ce futur détecteur est présentée dans cette thèse, déterminant les performances en banc de tests ou lors de tests d'irradiations.

A bosonic particle with a mass equal to 125GeV was observed in 2012, by ATLAS and CMS collaborations at the Large Hadron Collider (LHC). This particle was associated with the Higgs Boson or BEH boson, predicted fifty years before its discovery by François Englert, Robert Brout and Peter Higgs. This particle validates the BEH mechanism, explaining the origin of the mass of known particles and the electroweak symmetry breaking.Since its discovery, it has become crucial to probe the various properties of the Higgs boson such as the Higgs self-coupling. The success in probing Higgs self-coupling will bring another probe of the standard model and will provide a direct measurement of the Higgs field potential in the vacuum. This measure is performed through a global analysis of the di-Higgs (HH) production at LHC, decaying into various channels.This thesis focuses on the study of the decay of the Higgs boson pair into two light leptons with the same charge (referred to as 2lSS) within the context of the Run2 at LHC, providing an integrated luminosity of 139 fb⁻¹ and a centre of mass energy of √s = 13 TeV. The study based on Monte-Carlo simulations aims to develop a machine learning-based strategy to discriminate the signal (2lSS originating from the decay of the Higgs boson pair ) from the background (all other processes producing 2lSS events). An analysis of background noise estimation and systematic uncertainty estimation is also presented in this work.Finally, although the measurement of the self-coupling can be constrained by Run2, its direct measurement is expected in the High-Luminosity phase of the LHC (HL-LHC). This phase involves a five-fold increase in instantaneous luminosity, requiring an upgrade of the ATLAS detector to ensure performance comparable to Run2 performances, despite the increase of radiation and pile-up effects. As a result, a new high-granularity timing detector (HGTD) will be added. A study on the readout electronics of this future detector is presented in this thesis, determining its performance in the test bench and during irradiation tests.