Mesure de la masse du boson W avec le détecteur ATLAS au LHC

Measurement of the W-Boson Mass with the ATLAS Detector at the LHC

• Auteur / Autrice : Andres Pinto Pinoargote
• Direction : Maarten Boonekamp, Matthias Schott
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 12/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Institut für Physik (Mayence, Allemagne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Reza Ansari Foumani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Ubiali, Roberto Salerno, Christoph Amelung, Mika Vesterinen, Concettina Sfienti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Ubiali, Roberto Salerno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions proton-proton

Expérience ATLAS

Grand collisionneur de hadrons

Masse (physique) -- Mesure

Bosons W

Interactions électrofaibles

Mots clés libres

Interactions electrofaibles

Ajustement électrofaible

Masse du W

Electroweak interactions

Electroweak fit

W boson mass

Résumé

Le présent travail montre l'état actuel de la mesure de la masse du boson W en utilisant les données du LHC en collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à 5.02, 7 et 13 TeV. Pour ce faire, des procédures de calibration dédiées du Détecteur Interne (DI) et du Spectromètre à Muons (SM) d'ATLAS ont été conçues et appliquées, et la stratégie de la mesure a été optimisée.La procédure de calibration du DI prend en compte les biais possibles dans la flèche de la trace du muon, les déformations géométriques et les distorsions du champ magnétique. Dans le cas du SM, les résidus d'alignement entre le DI et le SM ont été étudiés, et le champ magnétique toroïdal résiduel présent dans les calorimètres a été réévalué. Une calibration dédiée de l'impulsion du muon a été mise en œuvre. Après ces corrections, l'accord entre les données et la simulation est trouvé au niveau du pour mille, et les incertitudes correspondantes sont propagées à la mesure de la masse du boson W.Le présent travail comprend également une étude détaillée de la stratégie d'ajustement de la masse du boson W. Un ajustement de type profil de vraisemblance (profile likelihood) analytique dans la limite gaussienne a été mis en œuvre, permettant une décomposition adéquate des incertitudes de l'ajustement, améliorant les “impacts” habituels. Dans ce scénario, nous sommes en mesure de déterminer la contribution réelle de chaque source systématique à l'incertitude finale de la mesure. Les données de mesure résultantes peuvent alors être utilisées de manière cohérente pour d'autres combinaisons et ajustements.L'ajustement analytique a été utilisé pour obtenir une mesure de la masse du boson W à 7 TeV avec une valeur de 80366.5 ± 15.9 MeV, en bon accord avec les ajustements numériques. Pour l'ensemble de données à faible empilement (low pile-up), la calibration améliorée et la stratégie d'ajustement optimisée aboutissent à une précision attendue de 14.3 MeV. En combinant avec les données à 7 TeV, une précision finale de 10.3 MeV est attendue.La compatibilité et la combinaison des mesures de la masse du boson W avec la nouvelle mesure ATLAS 2024 à 7 TeV et d'autres mesures (LEP, CDF, D0, LHCb) ont été étudiées. La combinaison donne m_W = 80388.4 ± 10.3 MeV avec 0.2% de compatibilité en incluant CDF, et m_W= 80366.1 ± 11.7 MeV avec 92% sans CDF, différant du résultat CDF par 3.8σ.

The present work shows the current status of the determination of the W boson mass, using the LHC datasets in proton-proton collisions collected by the ATLAS detector at 5.02, 7 and 13 TeV. To achieve this, dedicated calibration procedures of the ATLAS Inner Detector (ID) and Muon Spectrometer (MS) have been designed and applied, and the W boson mass measurement strategy has been optimised.The ID calibration procedure considers possible biases in the muon track sagitta, geometrical deformations and magnetic field distortions. In the case of the MS, the alignment residuals between the ID and MS have been investigated, and the residual toroidal magnetic field present in the calorimeters has been re-evaluated. A dedicated muon momentum calibration has been implemented. After these corrections, the data-to-simulation agreement is found to be at the per mille level, and the corresponding uncertainties are propagated to the W-boson mass measurement.The present work also includes a detailed study of the W-boson mass fitting strategy. An analytical Profile Likelihood fit in the Gaussian limit has been implemented, allowing a proper decomposition of the fit uncertainties, improving over the usual “impacts”. In this scenario, the actual contribution of each systematic source to the final measurement uncertainty can be determined. The resulting measurement data can then be used consistently for further combinations and fits.The analytical fit was used to obtain a W mass measurement at 7 TeV with value 80366.5 ± 15.9 MeV, in good agreement with numerical fits. For the low pile-up dataset, the improved calibration and optimised fitting strategy result in an expected precision of 14.3 MeV. Combining with the 7 TeV data an ultimate precision of 10.3 MeV can be obtained.The compatibility and combination of the world W-boson mass using the new ATLAS 2024 measurement at 7 TeV with other measurements (LEP, CDF, D0, LHCb) was studied. The combination yields m_W = 80388.4 ± 10.3 MeV with 0.2% compatibility when CDF is included, and m_W = 80366.1 ± 11.7 MeV with 92% compatibility when CDF is removed, differing from the CDF result by 3.8σ.