Etude des propriétés du boson de Higgs avec le détecteur ATLAS au LHC

Stage numéro : Doctorat-1821-AT-01
Laboratoire :Centre de Physique des Particules de Marseille Case 902
 163 avenue de Luminy - 13288 Marseille Cedex 9
Directeur :Cristinel Diaconu - 04.91.82.72.01 - diaconu@cppm.in2p3.fr
Correspondant :William Gillard - 04.91.82.72.67 - gillard@cppm.in2p3.fr
Groupe d'accueil :Atlas
Chef de groupe :Laurent Vacavant - 04.91.82.76.24 - vacavant@in2p3.fr
Directeur de thèse :Emmanuel MONNIER - +33 4 91 82 72 69 - monnier@cppm.in2p3.fr

Thématique : Physique des particules

English Version:

Physics at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organization for Nuclear Research) is the high priority research field of the Particle Physics community worldwide. ATLAS is one of the two general purpose experiments installed at the LHC that discovered a Higgs boson in July 2012, key piece for the understanding of the fundamental interactions and the origin of elementary particle mass. Its physics program extends beyond Higgs property measurements to the search for signs of physics beyond the Standard Model of particle physics.

The ATLAS group of the “Centre de Physique des Particules de Marseille” (CPPM) is deeply involved in this scientific program, in particular linked to its expertise of the electromagnetic calorimeter. The latter is a key component for the identification and energy measurement of electrons and photons, which were at the core of the Higgs boson discovery. It is also at the forefront of this boson studies and of the supersymmetry searches in the ongoing data taking campaign, so called “Run 2”, with major consequences in several analyses with leptons in their final states. Moreover, for the upgrade of the accelerator performances foreseen in 2021, this calorimeter has a major ongoing development program to dramatically upgrade its trigger and readout to which the CPPM group actively contributes.

In the Standard Model, the Higgs boson is highly coupled to the top quark, the known particle with the largest mass. The only way to directly measure this Higgs-top coupling (called top Yukawa coupling) is to observe the associated production of a Higgs boson with top quarks. This will be accessible for the first time with the “Run 2” data that are taken since 2015 and until 2018. This key measurement, and more generally the Higgs properties studies are of high importance since they would allow to confirm that the observed boson is the Standard Model Higgs boson, or could reveal New Physics.

The goal of this thesis is on the one hand to exploit the “Run 2” data set to get the best sensitivity on the Higgs property measurements and in particular the Yukawa coupling. The student will focus on the Higgs property measurement in multilepton final states (electron or muon). The “Run 2” data taking conditions at the LHC (proton-proton collision center of mass energy increased to 13 TeV, high luminosity) are particularly suited for these measurements. The sensitivity to the sub-dominant Higgs production modes – particularly its associated production with top quarks – is increased, allowing for refined measurements of the Higgs boson properties. On the other hand and in parallel, the student will also contribute to the electromagnetic calorimeter upgrade, and in particular, to the study of its upgraded configuration, first exploiting data taken with a prototype installed for the 2018 data taking, then contributing to the installation and commissioning of its final system, and finally to its validation and performances assessment with the first Run 3 data in 2021.

In this framework, the student will have to do frequent stays at CERN and the research work will combine physics analysis on real and simulated data as well as studies and operation of experimental systems.

French Version:

La physique auprès du Large Hadron Collider (LHC) du Centre Européen de Recherche Nucléaire (CERN) constitue aujourd'hui l'axe de recherche prioritaire de la communauté mondiale en physique des particules. ATLAS, l’une des deux expériences généralistes installées auprès de cet accélérateur, a découvert un boson de Higgs en juillet 2012, pièce essentielle pour la compréhension des interactions fondamentales et en particulier l'origine de la masse. Son programme de physique est néanmoins plus vaste et s’étend à l’étude des propriétés du boson de Higgs et plus généralement à l’obtention des premiers signes de physique au-delà du Modèle Standard de la physique des particules.

Le groupe ATLAS du Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) est fortement impliqué dans ce programme scientifique, avec notamment une expertise liée au calorimètre électromagnétique. Ce dernier est un élément clé pour l’identification et la mesure de l’énergie des électrons et des photons, qui ont fait le succès de la découverte du boson de Higgs. Il est également en pointe sur l’étude de ce boson et la recherche de supersymétrie dans la campagne de prise de données actuelle, dite « Run 2 », avec des implications majeures dans plusieurs analyses avec des leptons dans l’état final. De plus, en vue de l’amélioration des performances de l’accélérateur prévue pour 2021, ce calorimètre fait l’objet d’un important programme d’évolution de son système de lecture et de déclenchement auquel participe activement le groupe du CPPM.

Dans le Modèle Standard, le boson de Higgs se couple préférentiellement avec le quark top, particule élémentaire la plus massive jamais découverte. Le seul moyen de mesurer directement ce couplage (dit couplage de Yukawa du top) est d’observer la production associée du Higgs avec des quarks top. Cela sera accessible pour la première fois avec les données du « Run 2 » qui sont prises depuis 2015 jusqu’en 2018. Cette mesure et plus généralement, l’étude des propriétés du boson de Higgs sont très importantes, car elles peuvent confirmer que le boson observé est bien le boson de Higgs du Modèle Standard ou pourrait révéler de la nouvelle physique.

Le sujet de cette thèse est d’une part d’exploiter la prise de données du « Run 2 » pour obtenir la meilleure sensibilité sur ces mesures des propriétés du boson de Higgs, en particulier sur la mesure du couplage de Yukawa. L’étudiant(e) axera son travail d’analyse sur la mesure des propriétés du boson de Higgs dans les états finals à plusieurs leptons (électrons ou muons). Les conditions de la prise de données « Run 2 » au LHC (énergie dans le centre de masse des collisions protons-protons accrue à 13 TeV, grande luminosité) sont particulièrement favorables pour ces mesures. En effet, la sensibilité aux productions sous-dominantes du boson de Higgs – notamment en association avec une paire de quarks top - est accrue, permettant des mesures plus fines des propriétés du boson de Higgs. D’autre part et en parallèle, l’étudiant contribuera au programme d’amélioration du calorimètre électromagnétique, et en particulier, étudiera ses performances dans sa configuration optimisée, d’abord en exploitant les données prises avec un prototype installé sur le détecteur pour la prise de données 2018, puis en contribuant à l’installation et à la mise en œuvre du système final et enfin à sa qualification et à l’établissement de ses performances avec les premières données du Run 3 en 2021.

Dans ce cadre l’étudiant sera amené à effectuer de nombreux séjours au CERN, et son travail de recherche combinera des analyses de physique (sur données et simulation) ainsi que l’étude et la mise en œuvre de systèmes expérimentaux.