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Atlas
Etude des propriétés du boson de Higgs avec le détecteur ATLAS au LHC
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Directeur de thèse :
Emmanuel MONNIER - +33 4 91 82 72 69 - monnier@cppm.in2p3.fr
Description :

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.


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1821-AT-01
Unravelling the top-Higgs coupling with the ATLAS experiment at the LHC
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Directeur de thèse :
Thomas Strebler - (+33) 04 91 82 72 52 - strebler@cppm.in2p3.fr / Arnaud Duperrin - (+33) 04 91 82 72 00 - duperrin@cppm.in2p3.fr - - - -
Description :

After the observation of the Higgs boson in 2012 and thanks to the large luminosity collected during the successful LHC Run 2 data-taking, the properties of the Higgs boson can now be studied in more and more details. In particular, the coupling between the Higgs boson and the top quark, the two most massive elementary particles in the Standard Model (SM), is of high phenomenological interest, as it can be very sensitive to deviations from the Standard Model predictions. One of the key channels to study the top-Higgs coupling is the so-called ttH production mode, where the Higgs boson is produced in association with top quarks and which has been recently observed by the ATLAS collaboration [1]. The study of this channel will be the main focus of this thesis.


The ATLAS detector is ideally suited for such studies, with its design optimised to reconstruct and identify most of the decay products of the Standard Model particles produced in rare physics processes involving a Higgs boson, such as the ttH production mode. This thesis will include some work on the optimisation of the algorithms used to identify jets produced in the hadronization of b-quarks for the upgrade of the ATLAS detector planned for the High-Luminosity phase of the LHC. Those algorithms play a major role in all the final states involving b-quarks, produced in the decay of the top quarks and of the Higgs boson for instance.


Thanks to the large branching fraction of the Higgs boson into b-quarks, the ttH(bb) channel offers the advantage of a relatively large signal acceptance in comparison to the other decay channels. It is possible to exploit this in particular to measure some of the Higgs boson kinematics properties, which can be used to constrain for instance the CP structure of the top-Higgs coupling. Those constraints may shed some light on one of the current biggest unanswered questions of physics, namely why our Universe is nowadays dominated by matter instead of antimatter. This thesis will focus on the detailed study of that channel, benefitting from the very strong expertise of the ATLAS group at CPPM in this area and will involve regular stays at CERN.


[1] Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2018-13/


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1922-AT-01
HESS-CTA
Recherche avec HESS d'émission gamma de très haute énergie par des microquasars, études de sensibilité et de stratégies de recherche d'émission gamma de ces binaires-X avec CTA.
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Directeur de thèse :
Jean-Pierre Ernenwein - - ernenwein@cppm.in2p3.fr
Description :

Les microquasars sont des objets binaires constitués d'un objet compact (essentiellement trou noir de masse stellaire ou, pour certains cas, étoile à neutron) et d'une étoile compagnon (par exemple géante bleue) dont une partie de la matière est accrétée par l'objet compact. Le système est dénommé microquasar s'il peut émettre des jets relativistes. Pour des raisons de sensibilité de détection nous nous intéressons aux microquasars galactiques. Leur émission en rayons X a été étudiée en détail ces 2 dernières décennies, par des satellites, en particulier pour identifier des cycles caractéristiques d'émission X associés aux phénomènes physiques sous-jacents : par exemple les phases d'accrétion de matière puis d'éjection en jets ont des signatures typiques, en rayons X mais aussi infrarouge et radio. L'aspect multi-longueur d'onde est ainsi fondamental pour la compréhension de ces objets. L'intensité relative de chaque type de rayonnement ainsi que leurs caractéristiques propres évoluent au cours du cycle d'un microquasar, certaines phases étant potentiellement le siège d'émission de gammas de très haute énergie. C'est donc en réalisant un suivi d'observations de plusieurs longueurs d'onde (X -satellites-, radio -au sol-, gamma -satellite Fermi- ) qu'il est possible d'identifier des périodes prometteuses pour la détection de gammas de très haute énergie par un réseau de télescopes Cherenkov au sol tel que HESS ou CTA. A l'heure actuelle le seul microquasar détecté en gammas de très haute énergie est Cygnus X-1, par MAGIC, en septembre 2007, coïncidant avec une forte activité X mesurée par les satellites RXTE, Swift, INTEGRAL. Le niveau de détection par MAGIC n'est cependant que de 4sigmas. HESS n'a pas encore été en mesure de détecter de microquasar : des limites supérieures sur le flux gamma VHE de certains d'entre eux ont été estimées suite à la non détection de gammas de très haute énergie dans des phases présumées favorables de leur cycle. Les objets à étudier dans ce projet de thèse sont par exemple GRS1716-249, MAXI J1535-571, GRS1915+105, Cygnus X-3, Circinus X-1, GX 339-4, V4641 Sgr, H1743-322, XTE J1550-564, MAXI J1820+070. Pour trois d'entre eux on peut se référer à la publication : https://arxiv.org/abs/1607.04613 .


Les observations de rayons gamma par le satellite Fermi et le réseau de télescopes Cherenkov au sol HESS couvrent au total une large gamme en énergie de 30 MeV jusqu'au-delà de 10 TeV. Le futur observatoire CTA qui commencera à être opérationnel à l'horizon 2022 améliorera la sensibilité d'un ordre de grandeur au-dessus de 100 GeV. La mise en fonction depuis 2012 du cinquième télescope de HESS, de diamètre équivalent 28m et capable d'accéder à des énergies de quelques dizaines de GeV, permet d'ores et déjà d'augmenter la sensibilité dans cette région commune à Fermi et HESS. De plus les performances globales de HESS ont été améliorées par une jouvence des caméras des 4 télescopes de 12m achevée fin 2016.


Les 3 instruments HESS, Fermi et CTA peuvent être brièvement décrits ainsi :


HESS est l'acronyme de «High Energy Stereoscopic System». Fruit d'une collaboration internationale de plus de 150 chercheurs, cet instrument, en exploitation en Namibie depuis 2004, permet d'observer les rayons gamma au-dessus de quelques dizaines de GeV grâce à un réseau comportant quatre télescopes de 12 m de diamètre équivalent et un de 28 m. L'interaction des gammas dans la haute atmosphère aboutit à un très faible éclair de lumière Cherenkov détecté par des caméras équipées de photomultiplicateurs et placées aux foyers des télescopes. L'exploration du ciel dans cette gamme d'énergie, démarrée il y a à peine deux décennies, permet d'étudier les processus d'accélération au sein d'objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies, apportant ainsi une contribution à la recherche de l'origine du rayonnement cosmique. Plus de 150 sources ont déjà été détectées par les instruments actuels (HESS, MAGIC, VERITAS).


Le satellite Fermi, lancé en juin 2008, est un observatoire grand champ de la NASA détectant les rayons gamma entre 30 MeV et 300 GeV, recouvrant ainsi partiellement le domaine en énergie de HESS. Il permet de cartographier l'ensemble de la voûte céleste en permanence, avec une résolution angulaire allant du degré à 0.1° lorsque l'énergie croît. Le 3ième catalogue de Fermi comporte environ 3000 sources obtenues en 4 ans d'observations (http://arxiv.org/abs/1501.02003).


CTA (Cherenkov Telescope Array), est un instrument de seconde génération en cours de conception, motivé par le succès rencontré par les télescopes Cherenkov au sol comme HESS. CTA sera composé d'un réseau d'une centaine de télescopes dans l'hémisphère sud, près de Paranal au Chili, répartis sur 4 km2, pour sonder en particulier le plan galactique, et d'un réseau plus petit dans l'hémisphère nord, optimisé pour les sources extra galactiques. Son exploitation commencera dans quelques années, elle permettra d'améliorer la sensibilité aux sources gamma d'un facteur dix et pourrait conduire à terme à un catalogue de plus de 1000 sources au TeV.


Travaux attendus du doctorant :


Le doctorant sera membre des collaborations HESS et CTA, il contribuera à la recherche d'émission gamma VHE par des microquasars dans le contexte d'une étude multi-longueur d'onde, avec pour but de comprendre les détails de ces systèmes en termes de composants et d'efficacité pour l'accélération des particules à haute énergie (modélisation). Le travail sur HESS consistera essentiellement à de l'analyse de données, et celui sur CTA consistera en l'estimation du potentiel de ce futur réseau de télescopes pour la détection des sources transitoires galactiques. Le doctorant participera au développement des outils de simulation et des méthodes d'analyse de CTA.


Dans la collaboration HESS, le doctorant participera aux tâches de calibration, en particulier concernant les télescopes récemment améliorés, et participera aux prises de données en Namibie. Les données d'autres observatoires comme le satellite Fermi ou les instruments X, optique et radio seront utilisées en fonction des besoins des analyses de physique, en particulier pour contraindre la modélisation, et seront utilisées pour définir les périodes les plus prometteuses d'observation de microquasars pour la recherche d'émissions gamma de très haute énergie. En particulier, parmi les programmes d'observation proposés chaque année à la collaboration HESS, le doctorant participera au programme spécifique « Target of Opportunity observations of binary systems » consistant au déclenchement d'observations par HESS d'objets binaires X sur des alertes que nous construisons d'après les données d'autres instruments. Ce programme comprend les microquasars. Un suivi multi-longueur d'onde spécifique doit être assuré et les outils afférents doivent être améliorés.


A partir des travaux basés sur la sensibilité de HESS, et en estimant la sensibilité de CTA, il sera possible de faire une prédiction de la population de microquasars qui sous certaines hypothèses pourraient être accessibles par CTA et d'identifier quelques cibles d'intérêt particulier pour les futures observations, ainsi que les stratégies d'observation les plus efficaces exploitant l'aspect multi-longueur d'onde : des mesures radio jusqu'aux X et gammas HE (satellites) ainsi que gammas VHE détectés par des observatoires à grand champ de type HAWC. L'apport d'une stratégie multi-messagers - essentiellement neutrinos dans le cadre de modèles hadroniques de production des gammas VHE - pourra être évalué. C'est dans ce cadre que le doctorant devra contribuer au développement des outils logiciels CTA (simulations, méthodes de reconstruction des photons gamma, analyse).



Summary in English:


The framework of this Thesis Project is the HESS experiment, the CTA project and the search for emission of Very High Energy (VHE) gamma-rays (Egamma> 30 GeV) from microquasars (binaries including a black hole or a neutron star, and comprising jets resolved in radio wavelength). So far only Cygnus-X1 underwent such an emission, at 4.1 sigmas only, measured by the MAGIC telescopes in 2007.


A multi-wavelength approach of galactic microquasars will have to be performed, using data from X-ray satellites, from HE gamma-ray satellites (FERMI), as well as from other wavelength instruments (radio). On the basis of these data, and relying on models, the main purpose is to determine the most promising epochs for VHE observations, which are essentially triggered on alerts from the other wavelengths. In particular, we are currently monitoring X-ray and HE gamma-ray data to trigger observations with HESS, and this monitoring needs to be improved by customizing it to the particularities of each object, and to be extended to other wavelengths.


The Phd student will belong to the HESS and CTA collaborations. He/she will contribute to the search for VHE gamma-ray emissions from microquasars in HESS and to the sensitivity studies to such emissions for CTA, evaluating the best observation strategies to conduct in a multi wavelength/messenger context. He/she will contribute to the calibration tasks (HESS) and to the software developpement (mainly CTA: Monte Carlo simulations, reconstruction methods, analysis tools). An example of a publication on the subject is available here: https://arxiv.org/abs/1607.04613 .


Mots clefs :
Astroparticules
Code :
Doctorat-1922-CT-01
KM3NeT
Study of Neutrino Mass Ordering with data of the KM3NeT/ORCA deep sea Neutrino Detector
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Directeur de thèse :
Paschal COYLE - office: 0491827253, portable: 0675713799 - coyle@cppm.in2p3.fr
Description :

KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) is a deep sea neutrino telescope currently under construction at a depth of 2500m in the Mediterranean Sea off the coast of Toulon. ORCA is optimised for the detection of low energy (3-100 GeV) atmospheric neutrinos and will allow precision studies of neutrino properties including the neutrino mass ordering. ORCA is part of the multisite KM3NeT research infrastructure, which also incorporates a second telescope array (in Sicily) optimised for the detection of high-energy cosmic neutrinos. The first ORCA detection strings have recently been deployed and are providing high quality data.


During this thesis, at the Centre de Physique des Particules de Marseille, the student will develop the analysis methods for a preliminary estimation of the neutrino mass ordering with the first years of ORCA data.


There is also the possibility of a related M2 stage on this project.


Links: http://antares.in2p3.fr http://www.km3net.org http://www.cppm.in2p3.fr/rubrique.php3?id_rubrique=259


Mots clefs :
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Code :
Doctorat-1821-KM-01
Measurement of atmospheric neutrino oscillations with early KM3NeT/ORCA data
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Directeur de thèse :
Jürgen Brunner - 0491827249 - brunner@cppm.in2p3.fr
Description :

KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) is a deep sea neutrino telescope currently under construction at a depth of 2500m in the Mediterranean Sea off the coast of Toulon. ORCA is optimised for the detection of low energy (3-100 GeV) atmospheric neutrinos and will allow precision studies of neutrino properties. The first ORCA detection strings will be deployed late 2018 or early 2019.


The student will actively participate in the data taking of the ORCA detector and analyse those data. The goal of the thesis is to extract a clean signal of upgoing atmospheric neutrinos, to demonstrate that these data are affected by the phenomenon of neutrino oscillations and to measure the relevant oscillation parameters. Links: http://antares.in2p3.fr http://www.km3net.org http://www.cppm.in2p3.fr/rubrique.php3?id_rubrique=259


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1922-KM-02
Real-time multi-messenger analysis with KM3NeT
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Directeur de thèse :
Damien Dornic, Vincent Bertin - 04 91 82 72 86 - dornic@cppm.in2p3.fr , bertin@cppm.in2p3.fr
Description :

Neutrinos are unique messengers to study the high-energy Universe as they are neutral and stable, interact weakly and therefore travel directly from their point of creation to the Earth without absorption. Nowadays, the sources of very high-energy cosmic rays are still unknown. The detection of a neutrino signal is a direct evidence of the sources and the proof of the hadronic mechanism that produced the cosmic rays.


KM3NeT is the second-generation neutrino detector in the Mediterranean Sea. It will be distributed in two sites: a low energy site ORCA in France (5 GeV-10 TeV) and a high energy site ARCA in Italy (1 TeV-10 PeV). Both detectors will have a sensitivity largely improved compared to ANTARES at low and high energies. The French site is located at 2500 m depth in the Mediterranean Sea, 40 km off Toulon close-by ANTARES. The infrastructure is already deployed in both sites and the first lines should be deployed by the end of 2018. The completion of the KM3NeT is expected to be achieved around 2023. High-energy neutrino physics is a young and an almost unexplored field, which owns much discovery potentials. IceCube, a complementary neutrino detector in the South Pole has already discovered the first cosmic neutrinos. This guaranties to have neutrino signal detections in KM3NeT.


The main goal of the thesis is to develop the real-time multi-messenger analysis in the two KM3NeT detectors to look for transient sources such as flares of blazar, gamma-ray bursts, fast radio bursts, supernovae… To achieve this goal, the student will work in the development of the real-time analysis framework. The student will have to implement efficient selection of neutrinos over the atmospheric backgrounds. These neutrino streams can then be used to look for time and space correlation with external triggers from electromagnetic transients, gravitational waves and high-energy neutrinos. For the most interesting neutrinos, the student will also participate to the development of the alert sending system and the multi-wavelength follow-ups (radio, visible, X-ray and VHE). With this method, one neutrino could lead to a major discovery. In addition to the track event topology resulting from muon neutrino events, already exploited by ANTARES, KM3NeT event reconstructions will allow using cascade events (electron and tau neutrinos) with a quite good angular precision. As CPPM is the host lab of KM3NeT, the student will participate to the installation during sea campaigns, the calibration and the data analysis of the first lines. The candidate should therefore have a good background in astroparticle physics and astrophysics and interest in the data analysis. The analyses will be performed using C++, python and Root on Linux platforms.


[1] KM3NeT: http://www.km3net.org [2] https://www.cppm.in2p3.fr/web/fr/recherche/astroparticules/


Mots clefs :
Astroparticules
Code :
Doctorat-1922-KM-01
LHCb
Studies of lepton flavour universality in B meson decays at LHCb
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Directeur de thèse :
Anton Poluektov - 0491827602 - poluektov@cppm.in2p3.fr
Description :

Hints on violation of lepton flavour universality seen in the studies of B meson decays are some of the strongest evidences for the effects of physics beyond the Standard Model of electroweak interactions. The LHCb group at CPPM has been actively involved in these studies.


The candidate will join the LHCb experiment at the LHC collider at CERN and will play an active role in the programme of lepton flavour universality tests with semitauonic beauty hadron decays at LHCb.


During the PhD project, the candidate will carry out the analysis of the structure of multibody decays of B mesons to the final states containing two charmed mesons. The study will provide an important input to the analysis of semitauonic B decays, where doubly charmed B decays constitute a significant background. It will also serve as a testbed for innovative analysis approaches using novel machine learning techniques. In addition, the candidate will participate in the development of particle identification calibration techniques, both with the currently available LHCb data and for the LHCb upgrade as a part of our involvement in the Real-Time Analysis project (RTA).


Mots clefs :
Physique des particules
Code :
Doctorat-1922-LH-01