Mesure des propriétés CP du couplage Higgs-top dans le canal multilepton avec intelligence artificielle au sein de l'expérience ATLAS

Measurement of the CP properties of the Higgs-top coupling in the multilepton final state with machine learning in the ATLAS experiment

• Auteur / Autrice : Alberto Carnelli
• Direction : Frédéric Déliot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Catherine Le Bihan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Chanon, Djamel-Eddine Boumediene, Aleandro Nisati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Chanon, Djamel-Eddine Boumediene

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quark top

Expérience ATLAS

Bosons de Higgs

Mots clés libres

Quark top

Boson de Higgs

LHC

ATLAS

Intelligence artificielle

Top quark

Higgs boson

LHC

ATLAS

Machine learning

Résumé

Depuis la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS au CERN, l'étude de ses propriétés est une priorité du programme de physique du grand collisionneur de hadrons (LHC). Le modèle standard de la physique des particules prédit les interactions du boson de Higgs avec les autres particules fondamentales, et celles-ci peuvent être mesurées avec une grande précision grâce aux données du Run 2 du LHC. L'une des mesures importantes est la mesure des couplages de Yukawa entre le boson de Higgs et les fermions. Ce couplage pourrait présenter des différences par rapport à la théorie actuelle du modèle standard (MS), en particulier si la symétrie CP (conjugaison de la charge et de la parité) est violée. Cette violation est nécessaire pour expliquer le désaccord observé entre la matière et l'antimatière dans l'Univers.Le couplage de Yukawa du quark top est le plus grand du modèle standard, ce qui facilite son accès expérimental. La méthode la plus directe pour mesurer ce couplage passe par la mesure de la production de bosons de Higgs associés à des paires de quark top (ttH) au LHC. Cette thèse présente une série de travaux sur ce sujet. Premièrement, une étude phénoménologique est menée pour améliorer le modèle de section efficace simplifiée par template pour le processus ttH afin d'être plus sensible aux effets potentiels de violation de CP. Ensuite, une analyse est présentée sur l'étude du processus ttH dans l'état final multi-lepton. L'analyse utilise les données collectées par l'expérience ATLAS pendant le Run 2 du LHC, qui correspond à une luminosité intégrée de 139 fb⁻¹ de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. L'analyse consiste à mesurer la section efficace de production de ttH et la structure CP du couplage de Yukawa du quark top.Les deux résultats sont cohérents avec les prédictions du MS. Le taux de signal attendu est de 1.19+0,30/-0,30, et la limite pour la structure CP du couplage de Yukawa du quark top, en fonction de l'angle de mélange CP est : CP -39°< α <39°.

Since the Higgs boson discovery by the ATLAS and CMS experiments at CERN, investigating its properties has been a top priority in the Large Hadron Collider (LHC) physics program. The Standard Model of particle physics predicts the interactions of the Higgs boson with other fundamental particles, and these can be measured with exceptional precision using data from LHC Run 2. One of the main challenges of recent years is the measurement of the Yukawa couplings between the Higgs boson and fermions. This coupling could exhibit additional or different interactions with respect to the current Standard Model (SM) theory, especially if CP symmetry (charge and parity conjugation) is violated. This violation is necessary to explain the observed imbalance between matter and antimatter in the Universe. The Yukawa coupling involving the top quark is the highest, and this makes it easier to access it experimentally. The most direct method to measure the Yukawa coupling of the top quark currently involves the production of Higgs bosons associated with top quark pairs (ttH) at the LHC. This thesis presents a series of works in this context. First a phenomenological studies is carried out targeting an enhancement of the simplified template cross section framework for the ttH process to be more CP sensitive. Then a data analysis is presented targeting the ttH process in the multi-lepton final state. The analysis uses data collected by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC, which corresponds to an integrated luminosity of 139 fb⁻¹ of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis measures the effective production cross-section of ttH and the CP structure of the top quark's Yukawa coupling. Both results are consistent with the predictions of the Standard Model. The expected signal rate of 1.19+0.30/-0.30, while the result for the CP structure of the top quark's Yukawa coupling, has as expected CP mixing angle result -39°<α <39°.