Étude de la production de paires de bosons de Higgs dans des évènements avec grand boost de Lorentz avec le détecteur ATLAS au LHC

Study of Higgs boson pair production in high Lorentz boost events with the ATLAS detector at the LHC

• Auteur / Autrice : Ines Combes
• Direction : Luca Cadamuro
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• 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 : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Cern

Physique des particules

Boson de Higgs

Apprentissage automatique

Hh

Lhc

Cern

Higgs Boson

Lhc

Hh

Particle Physics

Machine learning

Résumé

L'étude des propriétés du secteur scalaire du modèle standard de la physique des particules (MS) est l'un des objectifs principaux du programme de physique du LHC au CERN. Cette étude passe par l'investigation de la structure en doublet du champs Higgs et de la forme du potentiel scalaire et par la recherche de nouvelle physique de façon directe (avec la recherche de nouvelles résonances) et indirecte (avec la recherche de modifications des distributions prédites par le MS). Expérimentalement, ces sujets peuvent être étudiés grâce à l'analyse de la production de paires de bosons de Higgs (HH). L'échantillon de données du LHC Run 3, qui sera enregistré jusqu'en 2025, offre une opportunité sans précédents d'effectuer ces analyses avec l'expérience ATLAS au LHC. L'un des canaux les plus sensibles pour l'étude de HH est bbtautau, qui offre un compromis idéal entre rapport de branchement et contamination de bruit de fond. La production HH->bbtautau a été étudiée avec les données du Run 2 du LHC dans le mode de production non-résonant par fusion de gluons (ggF) et de bosons vecteurs (VBF), ainsi que dans le mode de production résonant X->HH. Cependant, la portion d'espace de phases où les bosons de Higgs ont un très grand boost de Lorentz, correspondant à une impulsion transverse pT(H) > 300 GeV, est largement inexplorée. C'est dans ce régime que les modifications les plus importantes par rapport aux prévisions du MS se manifestent dans plusieurs scénarios, notamment dans le cas de couplages anormaux VVHH dans la production VBF et lors de la présence d'interactions effectives de contacte en ggF dans une recherche indirecte de nouvelle physique. C'est aussi dans ce régime qu'on pourrait atteindre la plus grande sensibilité expérimentale à la présence de nouvelles particules de masse supérieure à environ 1 TeV. L'étude de ce régime à grand boost de Lorentz est expérimentalement difficile car il demande des techniques innovantes pour identifier les désintégrations des bosons de Higgs dans des états finaux avec hadrons et les séparer de l'abondant bruit de fond QCD. L'objectif de cette thèse est l'étude de la production HH dans le canal de désintégration bbtautau dans un régime à grand pT(H) grâce au développement d'un algorithme performant d'identification du processus H->tautau. En suivant les développements récents dans l'identification de H->bb avec des méthodes d'intelligence artificielle, le/la candidat/e étudiera l'application de ces méthodes aux désintégrations en paires de leptons taus avec hadrons dans l'état final. Il/elle effectuera et finalisera la définition de la structure et l'entraînement du réseau de neurones artificiels, étudiera sa performance dans la simulation et effectuera une comparaison avec la performance dans les données pour déterminer la calibration de la réponse de cet algorithme. Ce travail sur la performance des objets de physique de ATLAS pourra être ultérieurement appliqué aux conditions de reconstruction du HL-LHC en utilisant les informations des nouveaux détecteurs. Après le développement et consolidation de cette méthode d'identification H->tautau, le/la candidat/e contribuera au développement de l'analyse de l'état final bbtautau avec l'échantillon de données de ATLAS du Run 3 en explorant les applications à la production résonante et non-résonante de paires de bosons de Higgs. Après la finalisation du travail d'analyse, le/la candidat/e travaillera sur la combinaison statistique avec les autres canaux HH pour achever la sensitivité maximale à ce processus.

Investigating the properties of the scalar sector of the Standard Model of particle physics (SM) is one of the main objectives of the physics program of the CERN LHC. This involves investigating the doublet structure of the Higgs field and the shape of the scalar potential, and searching for new physics both directly (by looking for new resonances) and indirectly (by looking for modifications in the distributions predicted by the SM). Experimentally, these topics can be investigated through the analysis of Higgs boson pair (HH) production. The LHC Run 3 data sample, which will be recorded until 2025, offers an unprecedented opportunity to perform these analyses with the ATLAS experiment at the LHC. One of the most sensitive channels for studying HH is bbtautau, which offers an ideal trade-off between the branching ratio and the background contamination. HH->bbtautau production has been studied with the LHC Run 2 data in the non-resonant production mode by gluon (ggF) and boson vector (VBF) fusion, as well as in the resonant X->HH production mode. However, the portion of phase space where the Higgs bosons have a very large Lorentz boost, corresponding to a transverse momentum pT(H) > 300 GeV, is largely unexplored. This is the regime where the most significant departures from the SM predictions occur in several scenarios, notably in the case of anomalous VVHH couplings in VBF production and in the presence of effective contact interactions in ggF in an indirect search for new physics. This is also the regime that could deliver the best experimental sensitivity in the search for new particles with masses greater than about 1 TeV. The study of this high Lorentz boost regime is experimentally challenging and requires innovative techniques to identify Higgs boson decays to tau final states with hadrons and separate them from the abundant QCD background. The aim of this thesis is to study HH production in the bbtautau decay channel in a large pT(H) regime by developing a high-performance algorithm for the identification of the H->tautau process. Following recent developments in the identification of H->bb with artificial intelligence methods, the candidate will study the application of these methods to decays to tau pairs with hadrons in the final state. He/she will carry out and finalize the definition of the structure and training of the artificial neural network, study its performance with simulation, and compare against the performance in data to determine the calibration of the response of this algorithm. This work on the performance of ATLAS physics objects can later be applied to HL-LHC reconstruction conditions, using information from the new detectors. After the development and consolidation of this H->tautau identification method, the candidate will contribute to the development of the bbtautau final state analysis with the Run 3 ATLAS data sample, exploring applications to resonant and non-resonant Higgs boson pair production. After finalizing the analysis work, the candidate will work on the statistical combination with the other HH channels to achieve the best sensitivity to this process.