Vers l’évidence de la production de paires de bosons de Higgs au LHC avec l’expérience ATLAS

L’étude de la production de paires de bosons de Higgs constitue un enjeu majeur de la physique du boson de Higgs au LHC, notamment dans la perspective de la phase de haute luminosité. Elle permet d’accéder directement à l’auto-couplage du boson de Higgs, mais également au couplage VVHH, qui constitue un paramètre important pour approfondir notre compréhension de la brisure de symétrie électrofaible. Ce couplage peut notamment être sondé avec une grande sensibilité dans les événements di-Higgs produits par fusion de bosons vecteurs (VBF), en particulier dans les régions cinématiques à haute masse du système HH.

L’exploitation de l’intégralité du jeu de données du Run 3, combinée aux développements récents des différentes analyses, permettra d’améliorer significativement la sensibilité à la production di-Higgs. La combinaison des différents états finaux étudiés par la collaboration ATLAS, notamment HH->bbtautau, HH->bbyy et HH->bbbb, pourrait ainsi conduire aux premières indications expérimentales de ce processus avec une sensibilité pouvant atteindre le niveau de trois déviations standard. Elle permettra également d’améliorer les contraintes sur les propriétés du secteur de Higgs et notamment sur les couplages impliqués dans la production de paires de bosons de Higgs.

La thèse comportera une contribution majeure à l’analyse du canal HH->bbtautau, avec un accent particulier sur les topologies boostées. Dans ces configurations, les produits de désintégration du boson de Higgs sont fortement collimatés, ce qui nécessite le développement et l’optimisation de techniques spécifiques de reconstruction et d’identification des objets. Ces événements sont particulièrement intéressants pour explorer les régions à haute masse m(HH) et sonder le couplage VVHH, généralement paramétré par le coefficient k(2V). Une attention particulière sera donc portée aux topologies VBF et aux régions cinématiques offrant la meilleure sensibilité à ce couplage. Les résultats de cette analyse contribueront à la combinaison des différents canaux étudiés par ATLAS, en exploitant leur complémentarité pour améliorer la sensibilité globale à la production HH et à k(2V).

Le détecteur ATLAS est idéalement conçu pour de telles études, avec une conception optimisée pour reconstruire et identifier la plupart des produits de désintégration des particules du Modèle Standard produits dans des processus rares impliquant des bosons de Higgs. Cette thèse comprendra également un volet consacré à l’optimisation des algorithmes utilisés pour identifier les jets issus de l’hadronisation des quarks (b), en vue de la phase de haute luminosité du LHC. Ces algorithmes jouent un rôle majeur dans de nombreux états finaux impliquant des quarks b, notamment dans les désintégrations des bosons de Higgs et des quarks top. Ce travail contribuera à préparer l’exploitation scientifique du nouveau détecteur interne d’ATLAS (ITk), actuellement en construction, notamment avec une contribution importante du CPPM, et dont la mise en service est prévue pour le démarrage du Run 4 à l’horizon de l’été 2030. Il permettra ainsi d’établir un lien direct entre l’exploitation des données du Run 3 et la préparation des futures analyses de physique du Higgs au HL-LHC.

Cette thèse s’inscrira au cœur d’un effort de recherche collaboratif impliquant plusieurs laboratoires français membres de la collaboration ATLAS au CERN. Elle bénéficiera de la forte expertise du groupe ATLAS du CPPM dans les domaines de l’identification des quarks b, de la reconstruction des objets dans les topologies boostées et des analyses de production de paires de bosons de Higgs. Le doctorant participera ainsi à la fois à une analyse de physique au premier plan au LHC et à la préparation des outils nécessaires à son exploitation future, en particulier dans le cadre de la mise en service du nouveau détecteur ITk.

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

[1] Transforming jet flavour tagging at ATLAS

https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/FTAG-2023-05/

[2] Expected Transformer-Network-based jet flavour tagging performance with the ATLAS Inner Tracker Detector at the High-Luminosity LHC

https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PUBNOTES/ATL-PHYS-PUB-2026-002/

[3] Improved analysis of non-resonant Higgs boson pair production in the final state with fb of data collected at = 13 TeV and 13.6 TeV with the ATLAS detector

https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGP-2024-37/

[4] Combination of ATLAS and CMS searches for Higgs boson pair production at (=13) TeV

https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGP-2025-18/