Recherche de nouvelle physique au LHC et au FCC en utilisant les photons

Le groupe ATLAS du CPPM joue un rôle de premier plan dans la recherche de nouvelle physique auprès du Large Hadron Collider (LHC). Le groupe est fortement impliqué dans la recherche de la production de paires de bosons de Higgs, une signature cruciale pour mieux comprendre le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. La découverte du boson de Higgs en 2012 au LHC a marqué une étape majeure dans notre compréhension de la physique des particules, mais de nombreuses questions restent sans réponse.

La recherche d’une nouvelle particule se désintégrant en une nouvelle particule scalaire accompagnée d’un boson de Higgs donne des états finaux semblables à ceux attendus pour la production d’une paire de boson de Higgs et fait naturellement partie de cet effort. La production associé Z^0 H peut aussi donner des états finaux similaires et constitue un bruit de fond irréductible aux deux recherches mentionnées plus haut. Dans ce contexte, l'amélioration de l'identification des photons au sein du calorimètre à argon liquide d'ATLAS est essentielle. Le candidat aura l'opportunité de contribuer à ces efforts en travaillant sur les données réelles collectées lors du Run 3 du LHC, qui se terminera en 2026. Cette expérience lui permettra d'acquérir une expertise solide dans l'analyse de données expérimentales et de développer une compréhension approfondie du fonctionnement des calorimètres.

Fort de cette expérience, le candidat s'intéressera ensuite à la recherche de nouvelles particules auprès du futur collisionneur circulaire (FCC). Le FCC est un collisionneur électron-positron en projet. D'une circonférence de 91 km, il sera situé 200 mètres sous la frontière franco-suisse près de Genève. Son démarrage, espéré en 2045, offrirait des opportunités uniques pour rechercher les signes de nouveaux phénomènes, même lors de la première période d’exploitation, prévue à l’énergie du pole du Z^0, à une énergie totale de 91 GeV. En effet, grâce à sa luminosité inédite de 2 ?10?^36 cm^(-2) s^(-1) à cette énergie, les quatre expériences prévues enregistreront un total de 5 ?10?^12 désintégrations du Z^0, ouvrant ainsi la voie à la recherche de ses désintégrations les plus rares.

L’une des pistes les plus prometteuses est la recherche des ALP (Axion Like Particles) [1] dans les désintégrations du Z^0 [2][3]. Les ALP, prédits par de nombreuses théories au-delà du Modèle Standard, sont des candidats pour constituer la matière noire ou être des médiateurs d’interaction entre un secteur dit sombre et les particules connues. Au FCC, la production associée d'ALP avec des photons ou des bosons de jauge, suivie de leur désintégration en deux photons ou deux fermions chargés, constitue une signature prometteuse pour leur découverte et similaire à la signature de paires de bosons de Higgs dans lequel le groupe ATLAS du CPPM est expert.

Le cœur d’analyse de cette thèse portera sur l'évaluation de la sensibilité du détecteur concept ALLEGRO à la production d'ALP. En utilisant des simulations Monte Carlo détaillées, le candidat étudiera les différentes signatures expérimentales des ALP et développera des stratégies d'analyse optimisées pour maximiser la sensibilité de l'expérience. Grâce à la finesse de la granularité du calorimètre à argon liquide prévu pour ALLEGRO, une attention particulière sera portée à la reconstruction des vertex déplacés des désintégrations des ALP de faible masse, une région de l'espace des paramètres particulièrement intéressante pour explorer de nouveaux scénarios de physique au-delà du Modèle Standard.

Les candidatures doivent inclure un CV, une lettre de motivation, les relevés de notes de la licence au master et les contacts de deux personnes de référence prêtes à fournir des lettres de recommandation.

[1]https://arxiv.org/pdf/1407.0546

[2]https://arxiv.org/abs/1808.10323

https://arxiv.org/pdf/2303.16514

[3]https://indico.in2p3.fr/event/32629/contributions/142596/attachments/87575/132189/fcc_alp_ecfa.pdf