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La physique de l’infiniment grand l’infiniment petit

Matteo BONANOMI soutient sa thèse

17 septembre 2021

le jeudi 7 octobre 2021 à 14h dans l’amphithéâtre Gay-Lussac de l’École polytechnique

Response of the high granularity calorimeter HGCAL and characterisation of the Higgs boson with the CMS experiment at the LHC. The silicon road and the golden channel

Résumé


Cette thèse présente une caractérisation complète des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration à quatre leptons exploitant des collisions proton-proton collectées à une énergie de centre de masse de 13 TeV avec l’expérience CMS au CERN LHC, correspondant à 137 fb -1 enregistré pendant le Run-II.


Le canal de désintégration à quatre leptons est également connu sous le nom de « canal d’or » en raison d’un grand rapport S/B, un état final complètement résolu et une excellente résolution. Le travail d’analyse comprend une optimisation des catégories d’événements conçues pour mesurer pour la première fois les sections efficaces de le Stage 1.2 STXS, pour un total de dix-neuf sections efficaces dans des régions d’espace de phase mutuellement exclusives, et le développement du modèle statistique utilisé pour l’extraction de les résultats. Les prédictions du modèle standard (SM) sont testées en mesurant le modificateur d’intensité de signal inclus H->ZZ->4l (l=e,mu), défini comme le rapport de la section efficace de production du boson de Higgs à la prédiction SM correspondante. La mesure donne mu=0,94±0,07(stat)+0,09(syst) à mH=125,38 GeV. Les modificateurs d’intensité de signal de chaque mécanisme de production sont également mesurés. La section efficace du processus H->4l est également mesurée au niveau du générateur, déployant les effets du détecteur, dans un volume de référence défini pour correspondre étroitement à l’acceptation expérimentale. La section transversale de référence H->4l est de 2,84+0,23(stat)+0,26(syst) fb. Les sections efficaces de référence sont mesurées dans des bacs différentiels plusieur observables.


La section efficace différentielle en fonction de la quantité de mouvement transverse du boson de Higgs est utilisée pour extraire pour la première fois les limites de l’auto-couplage trilinéaire du boson de Higgs en utilisant un canal de désintégration de single-Higgs. Des études supplémentaires de la violation de CP et des couplages anormaux du boson de Higgs aux bosons vecteurs et aux fermions sont également présentées. Tous les résultats sont en accord avec les prédictions du SM, soulignant la force du SM et la difficulté de dévoiler la physique au-delà du SM (BSM).


Afin de sonder encore plus en détail les prédictions du SM et de donner accès à des phénomènes rares, le CERN a l’intention de démarrer les opérations du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC) d’ici la fin 2027. Le HL-LHC devrait fournir 10 fois la luminosité intégrée actuelle, améliorant ainsi la portée physique du LHC, resultant en un taux de pileup élevé et à des niveaux de rayonnement sans précédent. Une mise à niveau massive des détecteurs est nécessaire pour maintenir les performances physiques actuelles dans un environnement aussi difficile. La collaboration CMS remplacera les calorimètres des endcaps par un calorimètre à haute granularité (HGCAL).


Le HGCAL sera le premier calorimètre à grande échelle à base de silicium jamais utilisé dans une expérience de physique des hautes énergies. Par conséquent, la validation de sa conception et une évaluation complète de ses performances physiques sont obligatoires pour la réussite du projet. En octobre 2018, le premier prototype à grande échelle du HGCAL a été exposé à des faisceaux d’essai avec des énergies entre 20 e 300 GeV. Une partie de cette thèse a été consacrée à l’évaluation des performances du compartiment électromagnétique du prototype, conduisant à sa caractérisation complète. La haute granularité du prototype est exploitée pour étudier le confinement longitudinal et transversal des cascades électromagnétiques, ainsi que pour mesurer les résolutions positionnelle, angulaires et énergétiques. Tous les résultats sont comparés avec une simulation Monte Carlo GEANT4 dédiée et un excellent accord est trouvé pour toutes les observables étudiées, corroborant ainsi la conception finale du HGCAL et les performances physiques nominales attendues pour les opérations HL-LHC.

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