Inférence Basée sur Simulation pour l'étude du boson de Higgs hors-résonance se désintégrant en quatre leptons dans l'expérience ATLAS et déploiement d'un Filtrage par Somme Gaussienne pour la trajectographie d'électron

Neural Simulation-Based Inference study of the off-shell Higgs boson decaying into four leptons in the ATLAS experiment and commissioning of Gaussian-Sum Filtering for electron tracking

• Auteur / Autrice : Arnaud Maury
• Direction : David Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• 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-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tobias Golling, Anne-Catherine Le Bihan, Julie Malclès, Yann Coadou, Gilles Louppe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tobias Golling, Anne-Catherine Le Bihan
• DOI : 10.70675/4ff2b54fzfbb6z4bd3zb241z28c323302de7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérience ATLAS

Bosons de Higgs

Grand collisionneur de hadrons

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Physique des hautes énergies

Grand collisionneur de hadrons

Intelligence artificielle

Bosons de Higgs

Inférence basée sur simulation

Trajectographie

High-Energy Physics

Large Hadron Collider

Artificial Intelligence

Higgs boson

Simulation-Based Inference

Particle Tracking

Résumé

La découverte du boson de Higgs a été annoncée conjointement par ATLAS et CMS le 4 juillet 2012, confirmant le mécanisme du Modèle Standard (MS) pour la génération de masse des particules élémentaires. Cette résonance à 125 GeV du boson de Higgs a été découverte via plusieurs canaux de désintégration, dont le canal H->ZZ->4l (H4l). L'étude du boson de Higgs hors-résonance, au-dessus de 180 GeV, fournit un aperçu inédit de ses propriétés, dont l'intensité de signal hors-résonance μ, la largeur totale de désintégration Γ_H, et divers couplages à hautes énergies de centre de masse. Cependant, le boson de Higgs hors-résonance est difficile à mesurer en raison de sa nature non résonnante, de l'importance des bruits de fond et des interférences quantiques destructives remarquablement importantes.L'Inférence Basée sur Simulation (NSBI) est un ensemble de techniques statistiques basées sur l'apprentissage automatique (ML) permettant la mesure de paramètres fondamentaux par estimation du maximum de vraisemblance, à l'aide de l'estimation par réseaux de neurones de rapports de vraisemblance, événement par événement. La NSBI permet ainsi d'utiliser l'ensemble des informations multidimensionnelles de l'état final, contrairement aux analyses traditionnelles en Physique des Hautes Énergies où les données sont regroupées dans des histogrammes à l'aide de statistiques sommaires de faible dimension, entraînant une perte de sensibilité statistique. Une nouvelle analyse NSBI de la production du boson de Higgs hors-résonance dans le canal H4l a été réalisée en utilisant 139 fb-1 de données de collision pp à √s=13 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS pendant le Run 2 du LHC. Il est montré que la NSBI est particulièrement bien adaptée pour traiter des interférences quantiques et qu'elle est sensible à de subtiles signaux non résonnants.En raison de l'interférence quantique, les intervalles de confiance statistiques ne sont pas asymptotiques et doivent être déterminés par construction de Neyman. La NSBI étant une analyse événement-par-événement tandis que les analyses PHE traditionnelles sont basées sur des histogrammes, une nouvelle méthode pour la construction de Neyman des intervalles de confiance a été développée, utilisant des pseudo-expériences événement-par-événement. Une série de diagnostics visant à démontrer la robustesse de la méthode est détaillée. Dans les ensembles de données considérés, les événements à poids négatif posent notamment de sérieux défis.En vue de la phase de Haute Luminosité (HL-LHC), le détecteur ATLAS est en cours de modernisation, laquelle comprend la construction d'un Trajectographe Intérieur (ITk) inédit, entièrement en silicium. L'environnement intense du HL-LHC nécessitera d'importantes améliorations en matière de calcul informatique. ACTS est un logiciel libre développé pour la trajectographie de particules, conçu pour le multithreading avec une maintenabilité durable du code, offrant ainsi de meilleures performances. Il est prévu qu'ACTS devienne le logiciel de trajectographie d'ATLAS pour le HL-LHC.Compte tenu du rayonnement de freinage (bremsstrahlung), la trajectographie des électrons avec l'algorithme standard du Filtre de Kalman (KF) n'est pas optimale, tandis que l'algorithme de Filtrage par Somme Gaussienne (GSF) est mieux adapté. L'algorithme ACTS GSF nouvellement développé est dans un premier temps validé dans ACTS standalone. Dans un second temps, l'ACTS GSF est déployé dans Athena, la plateforme logicielle d'ATLAS, et est validé sur des simulations du HL-LHC.

The discovery of the Higgs boson was jointly announced by ATLAS and CMS on July 4th, 2012, confirming the Standard Model (SM) mechanism for mass generation. This 125 GeV resonance of the on-shell Higgs boson was discovered through several decay channels, including the H->ZZ->4l (H4l) channel. The study of the Higgs boson in its off-shell mass, above 180 GeV, gives us new insights into its properties, including its off-shell signal strength μ, total decay width Γ_H, and various couplings at large centre-of-mass energies. However, the off-shell Higgs boson is challenging to measure because of its non-resonant nature, large backgrounds, and especially large destructive quantum interference.Neural Simulation-Based Inference (NSBI) is a set of Machine Learning (ML)-based statistical techniques which allow the measurement of fundamental parameters with Maximum Likelihood fit using Neural Networks' estimate of likelihood ratios on a per-event basis. NSBI enables the use of the full multi-dimensional final state information, unlike traditional HEP analyses where data is binned through low-dimensional summary statistics, thereby losing sensitivity. A new NSBI analysis of the off-shell Higgs boson production in the H4l channel has been carried out using 139 fb-1 of pp collision data at √s=13 TeV collected by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC. It is shown that NSBI is particularly well suited to handle quantum interference and is sensitive to subtle non-resonant signals. Because of quantum interference, the statistical confidence intervals are not asymptotic and must be determined using Neyman construction. Due to NSBI being a per-event analysis while traditional HEP analyses are histogram-based, a new method for the Neyman Construction of confidence intervals using per-event pseudo-experiments has been developed. A series of diagnostic checks to demonstrate the robustness of the method are detailed. In particular, negative weight events from the considered datasets pose serious challenges.The ATLAS detector is being upgraded for the upcoming High Luminosity (HL-LHC) phase, including the development of a novel all-silicon Inner Tracker (ITk). The intense environment of HL-LHC will demand greater computational requirements. ACTS is an open-source software developed for particle tracking, designed for multi-threading, high performance, and durable maintainability. It is scheduled to become the ATLAS reconstruction software for HL-LHC.Due to bremsstrahlung, electron tracking with the standard Kalman Filter (KF) algorithm is not optimal. The Gaussian Sum Filtering (GSF) track fitting algorithm is better suited. The newly-developed ACTS GSF algorithm is first validated in ACTS standalone before being commissioned in Athena, the software framework of ATLAS, and validated on HL-LHC simulation.