Etude de la production de di-Higgs pour la nouvelles physiques et amélioration du trajectographe de l'expérience ATLAS en vue de la phase à haute luminosité du LHC

Study of the production of di-Higgs for the new physiques and amélioration of trajectographe de l'expérience ATLAS en vue de la phase à haute luminosité du LHC

• Auteur / Autrice : Thiziri Amezza
• Direction : Reina Coromoto Camacho Toro
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Energies

Mots clés

Mots clés libres

Atlas

Di-Higgs

Nouvelles physiques

Atlas

Di-Higgs

New physics

Résumé

L'étude précise du mécanisme de rupture de la symétrie électrofaible (EWSB) est l'un des objectifs les plus ambitieux du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. L'existence de l'EWSB a été confirmée expérimentalement en 2012 avec la découverte du boson de Higgs (H) par les collaborations ATLAS et CMS, et une décennie de mesures a renforcé l'hypothèse selon laquelle ses propriétés sont en accord avec les prédictions du Modèle Standard. Cependant, la structure en doublet du champ scalaire et la forme du potentiel, qui sont les fondements du mécanisme EWSB lui-même, n'ont pas encore été testées expérimentalement. Cette thèse se concentrera sur l'étude de la production d'un pair des bosons de Higgs en utilisant le jeu de données ATLAS du début du Run-3. Il s'agit d'un point de référence idéal pour tester plus profondément le mécanisme EWSB, et pour détecter les effets possibles d'une physique non encore découverte au-delà du SM. En raison de la petite section transversale, le projet se concentre sur les canaux de désintégration HH->bbbb qui ont la fraction de branchement de désintégration la plus élevée et sur le régime à haute masse mHH, où la sensibilité au processus HH est maximale en raison de la réduction des bruits dus aux multijets. Expérimentalement, cela signifie le développement et l'utilisation de techniques dédiées pour identifier les produits de désintégration des bosons de Higgs qui sont spatialement collimatés (topologie boostée). L'identification efficace des jets hadroniques initiés par des quarks bottom (appelés b-jets), qui dépend fortement des performances du détecteur de suivi et de vertex, est essentielle. Cette proposition de doctorat est conçue pour offrir à l'étudiant un excellent aperçu du monde de la physique des particules expérimentales, en combinant l'analyse de données, la performance du détecteur et le développement du détecteur. Au cours de la première année du doctorat, l'étudiant contribuera à la validation de nouveaux outils avancés d'identification de bosons Higgs boostés (→ bb) en utilisant les données du début du Run-3. Ensuite, l'étudiant contribuera à l'utilisation de ces nouveaux outils d'identification de bosons Higgs boostés pour une première analyse VBF HH→bbbb à 13,6 TeV. Nous explorerons également des méthodes permettant de séparer les composantes de polarisation des bosons vecteurs. Le directeur de thèse possède une grande expertise en marquage de bosons boostés ainsi qu'en recherches de dibosons pour la nouvelle physique. Le co-directeur de thèse à Toulouse possède une expertise très étendue dans les états finaux de fusion de bosons vecteurs ainsi que dans l'interprétation des mesures pour la nouvelle physique en utilisant des théories effectives des champs. Cela rend l'équipe de direction parfaitement adaptée et nécessaire pour le projet proposé et pour guider le travail du candidat au doctorat. Enfin, le travail de thèse comportera également une partie instrumentale sur le futur trajectographe (« ITk ») prévu pour la phase « haute luminosité » (2026-) d'ATLAS. ITk est la partie principale du programme d'upgrade d'ATLAS. Le groupe LPNHE est impliqué dans ITk depuis sa conception, avec un long programme de R & D sur les capteurs à pixels planairs. Il s'est engagé, avec les groupes LAL et IRFU / CEA ATLAS, à construire et à tester des modules de pixels en silicium pour la partie extérieure du « tonneau » d'ITk.

The precise study of the electroweak symmetry breaking mechanism (EWSB) is one of the most ambitious objectives of CERN's Large Hadron Collider (LHC). The existence of the EWSB was experimentally confirmed in 2012 with the discovery of the Higgs boson (H) by the ATLAS and CMS collaborations, and a decade of measurements has reinforced the hypothesis that its properties are in line with Standard Model predictions. However, the doublet structure of the scalar field and the shape of the potential, which are the foundations of the EWSB mechanism itself, have yet to be experimentally tested. This thesis will focus on the study of Higgs boson pair production using the ATLAS data set from the first Run-3. This is an ideal reference point for further testing the EWSB mechanism, and for detecting the possible effects of undiscovered physics beyond the SM. Due to the small cross-section, the project focuses on the HH->bbbb decay channels with the highest decay branching fraction and high mHH regime where the sensitivity to the HH process is maximal because of the reduced multijet backgrounds. Experimentally, this means developing and using dedicated techniques to identify decay products of the Higgs bosons that are spatially collimated (boosted topology). The efficient identification of hadronic jets initiated by b-quarks (called b-jets), which strongly depends on the performance of the tracking and vertexing detector, is key. This PhD proposal is conceived to provide the student with an excellent overview of the world of experimental particle physics as it combines data analysis, detector performance and detector development. During the first year of the PhD the student will contribute to the validation, using early Run-3 data, of new advanced boosted Higgs (→ bb) boson identification tools. Afterwards the student will contribute to the use of these new boosted Higgs boson identification tools for a first VBF HH→bbbb at 13.6 TeV analysis. Exploring as well methods that enable the separation of the vector boson polarization components. The thesis director has large expertise in boosted boson tagging as well as diboson searches for new physics. The thesis co-supervisor in Toulouse has a long-standing expertise in vector boson fusion final states as well as interpretation of measurements for new physics using effective field theories. This make the direction team a good and necessary fit for the project proposed and to guide the PhD candidate work. Furthermore, the thesis work will also include an instrumental part on the future trajectograph (''ITk'') planned for the ''high luminosity'' phase (2026-) of ATLAS. ITk is the main part of the ATLAS upgrade program. The LPNHE group has been involved in ITk since its conception, with a long R&D program on planar pixel sensors. Together with the LAL and IRFU / CEA ATLAS groups, it is committed to building and testing silicon pixel modules for the outer part of the ITk ''barrel''.