Etalonnage des jets, mesures de sections efficaces et extraction d'alpha_S dans ATLAS et au Futur Collisionneur Circulaire au CERN (FCC-ee)

Jet calibration, cross section measurements and extraction of alpha_S in ATLAS and in the Future Circular Collider at CERN (FCC-ee)

• Auteur / Autrice : Line Delagrange
• Direction : Luc Poggioli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Energies

Mots clés

Mots clés libres

Etalonnage

Interaction Forte

Sections efficaces

Calibration

Qcd

Cross section

Résumé

 L'évaluation de la constante de couplage de l'interaction forte alpha_S et les tests de son évolution en fonction de l'échelle d'énergie, prédite par les équations du Modèle Standard de la physique des particules, peuvent être effectués à l'aide de mesures de sections efficaces de production de jets, qui sont des gerbes hadroniques de quarks et de gluons. Nous proposons d'effectuer ces études à l'aide des données accumulées par le détecteur ATLAS lors du Run-2 du LHC, avec la possibilité d'utiliser également les données du Run-3 (démarrage prévu en mars 2022). Avec l'accroissement de la quantité de données collectée, qui permet de réduire les incertitudes statistiques, il devient de plus en plus crucial de réduire également les incertitudes systématiques le plus possible. Cela sera obtenu en effectuant un étalonnage absolu et in-situ des jets, avec les effets de physique et de détecteur clairement factorisés. Une telle méthode permettra de moins s'appuyer sur l'utilisation des simulations Monte Carlo (MC) que dans la méthode actuelle d'étalonnage relatif et in-situ des jets, qui repose sur une comparaison précise des données et des simulations. En fait, alors que la méthode d'étalonnage relatif utilise le MC pour décrire à la fois les effets de détecteur et de physique, l'étalonnage absolu utilisera le MC pour décrire les effets de physique, tandis que la réponse du détecteur sera obtenue directement à partir des données. Les méthodes d'extraction d'alpha_S et les tests de son évolution seront également étendus aux études de conception en cours pour le FCC-ee (Future Circular Collider électron-positron, un projet d'accélérateur pour succéder au LHC, à l'horizon 2040), et leurs implications sur le design des détecteurs. Le FCC-ee fournira en particulier des collisions au pic de masse du boson Z, avec une statistique 100 000 fois plus élevée qu'avec le LEP, le précédent collisionneur électron-positron du CERN. Ceci va permettre d'utiliser des événements avec un photon énergique émis dans l'état initial (Initial State Radiation, ISR) et plusieurs jets dans l'état final. L'ISR permet de changer de façon continue l'énergie dans le centre de masse de la collision, et ainsi de pouvoir tester l'évolution de alpha_S, et de la comparer aux prédictions théoriques. Les rapports de sections efficaces entre différentes multiplicités de jets dans l'état final permettront de réduire l'impact des incertitudes systématiques. Cela permettra une meilleure compréhension des incertitudes systématiques, en effectuant des mesures sur une large gamme d'énergie des paticules finales, tout en conservant les mêmes conditions pour le collisionneur et les détecteurs. L'optimisation du design du détecteur pour réaliser ces mesures sera également étudiée. Dans ATLAS, comme au FCC-ee, les études proposées permettront des mesures de haute précision afin de tester très précisément la théorie, ainsi que de sonder des signaux éventuels de nouvelle physique aux échelles de masse les plus élevées, via des déviations potentielles par rapport aux prédictions du Modèle Standard.

The evaluation of the coupling constant of the strong interaction alpha_S and tests of its evolution as a function of the energy scale, predicted by the Standard Model of particle physics equations, can be performed using measurements of jet production cross sections, which are hadronic showers of quarks and gluons. We propose to perform these studies using data accumulated by the ATLAS detector during the LHC Run-2, with the possibility of also using data from Run-3 (scheduled to start in March 2022). As the amount of data collected increases, the statistical uncertainties reduce and it becomes more and more crucial to also reduce the systematic uncertainties, as much as possible. This will be achieved by performing an absolute in-situ calibration of the jets, with the effects of physics and detector clearly factored. This method will rely less on the use of Monte Carlo (MC) simulations than in the current method of relative in-situ jet calibration, which relies on accurate comparison of data and simulations. In fact, while the relative calibration method uses MC to describe both detector and physics effects, the absolute calibration will use MC to describe the physics effects, while the detector response will be obtained directly from the data. The methods for extracting alpha_S and testing its evolution will also be extended to the ongoing design studies for the FCC-ee (Future Circular Collider electron-positron, the successor to the LHC, by 2040), and their implications for detector design. In particular, the FCC-ee will provide collisions at the peak mass of the Z boson, with a statistics 100,000 times higher than with LEP, the previous electron-positron collider at CERN. This will allow the use of events with one energetic photon emitted in the initial state (Initial State Radiation, ISR) and several jets in the final state. The ISR allows to continuously change the energy in the center of mass of the collision, and thus to test the evolution of alpha_S, and to compare it with theoretical predictions. The cross-section ratios between different jet multiplicities in the final state will allow to reduce the impact of systematic uncertainties. This will allow a better understanding of the systematic uncertainties, by making measurements over a wide range of final particle energies, while keeping the same conditions for the collider and detectors. The optimization of the detector design to perform these measurements will also be studied. In ATLAS, as in FCC-ee, the proposed studies will allow high-precision measurements to test the theory very precisely, as well as to probe possible signals of new physics at the highest mass scales, via potential deviations from the Standard Model predictions.