Recherche du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons avec le détecteur ATLAS au LHC
Résumé
This document comprises of three parts related to different aspects in the search for the Higgs boson in the γγ channel with the ATLAS detector. A study of the intrinsic uniformity of the EM barrel calorimeter of ATLAS using the drift time measurement of ionization electrons is performed. About 500 000 cosmic muon pulses have been recorded and their shape predicted using the First Principle Method. The drift time uniformity in the Middle compartment of the barrel is derived per region of size 0.1 x 0.1 in the (η,φ) plane. Its impact on the calorimeter response uniformity is found to be of 0.29% at nominal voltage. With the lead thickness variation expected to contribute by ~0.18%, this leads to an intrinsic calorimeter uniformity in the barrel of 0.34%. The drift velocity of electrons is measured in the different layers of the barrel and amounts to v(E = 1 kV/mm) = 4.58 ±0.07 mm.μ s^-1 which is in good agreement with previous measurements at the operating temperature of 88.5 K. A study of the measurement of the material the beam pipe (BP) using photon conversions is presented. The BP is a well isolated and well known material to normalize the conversion rates in the upstream material of the EM calorimeter. Given that a large fraction of the photons originate from π^0 mesons, the initial flux of photons arising in the conversion rate is normalized to the π^0 Dalitz decays. The BP conversion rate is expressed as a function of the ratio of the reconstructed BP conversions to that of Dalitz decays that is measured in data recorded at 7 TeV centre-of-mass energy. The BP material estimated in the data well agrees with prediction from both the Monte-Carlo (MC) simulation and layout design: X/X_0 = 0.669 ± 0.033(stat) ^+0.013_-0.080(syst)%, X/X_0 = 0.709 ± 0.028(syst) %, and X/X_0 = 0.709 ± 0.028(syst) % respectively. The normalizations of the signal and background and the discriminating potential in the H → γγ inclusive analysis are studied. Different programs and MC simulations are used to estimate a Next-to-Leading Order normalization of the signal and irreducible background (γγ) and predict their differential cross sections. These systematic uncertainties amount respectively to 16% and 26%. The discriminating power of the transverse momentum of the diphoton system and the cosθ* is reappraised. In particular a strong correlation is observed between the cosθ* and the diphoton invariant mass. The semi-reducible background (γ-jet) is normalized at NLO with 26% of systematic error. A refined normalization that is applied after the photon identification is proposed. It accounts for the different rejection of jets originating from quarks or gluons and amounts to 1.9 ± 0.6. The prospects for exclusion of the Higgs boson in the γγ channel at 10 TeV energy are presented as well as in the extrapolation at 7 TeV for an integrated luminosity of 1 f b^−1 . In the later scenario, about five times the Standard Model is expected to be excluded at 95% of confidence level for Higgs boson mass around 120 GeV/c^2 .
Cette thèse a traité trois différents aspects ayant trait à la recherche du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons avec le détecteur ATLAS. Le premier est une étude sur l'uniformité intrinsèque du calorimètre électromagnétique (EM) d'ATLAS en utilisant la mesure du temps de dérive des électrons d'ionisation. Environs 500 000 signaux provenant de rayons cosmiques sont enregistrés et sont comparés à la forme du signal prédite en utilisant la méthode FPM (pour First Principle Method). L'ajustement de la forme prédite à celle mesurée permet de mesurer le temps de dérive des électrons d'ionisation de l'argon liquide. L'uniformité du temps de dérive dans le compartiment Middle calculée par blocs de taille 0.1 x 0.1 dans le plan (η,φ) est estimée à 1.27 ± 0.03%. L'impact de la variation du temps de dérive sur l'uniformité de la réponse du calorimètre est estimée à 0.29 ± 0.01%. En tenant compte de la variation de l'épaisseur des plaques de plomb qui constituent le milieu passif et qui ont été mesurées par ailleurs, l'uniformité intrinsèque du calorimètre est estimée à 0.34%. La vitesse de dérive des électrons mesurée dans les différents compartiments du calorimètre est en moyenne V_{D(E = 1 kV/mm) = 4.58 ± 0.07 mm.μ s^-1 en bon accord avec des mesures antérieures de la vitesse de dérive des électrons dans l'argon liquide à la température de 88.5K. Le second aborde la question de l'estimation de la matière en amont du calorimètre, utilisant une cartographie du détecteur interne. Cette mesure est faite relativement au nombre de conversions dans le tube à vide (beam pipe) de manière à être indépendante du flux initial de photons. Une connaissance précise de la matière en amont du calorimètre est essentielle à la calibration en énergie des électrons et photons reconstruits dans le calorimètre. Puisqu'une large fraction des photons proviennent de mésons π^0, le flux initial de photons qui intervient dans le taux de conversions dans le beam pipe est normalisé aux désintégrations Dalitz du π^0. L'observable qui permet de comparer les données aux simulations Monte-Carlo (MC) est le rapport du nombre de conversions reconstruites dans le beam pipe et du nombre de Dalitz reconstruits. Ce rapport estimé avec les données de collision à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse donne un bon accord sur la mesure de la matière dans le beam pipe avec la prédiction du MC : X/X_0 = 0.669 ± 0.033(stat) ^+0.013_-0.080(syst)%, X/X_0 = 0.709 ± 0.028(syst) %, et X/X_0 = 0.709 ± 0.028(syst) %respectivement. Le dernier est l'étude de la normalisation du signal et du bruit de fond ainsi que l'analyse du potentiel discriminant dans l'analyse inclusive du canal H → γγ. Différentes simulations MC sont utilisées pour estimer une normalisation à l'ordre NLO du signal et du bruit de fond irréductible (γγ) ainsi que les erreurs systématiques associées. Celles-ci représentent respectivement 16% et 26% de la section efficace totale. Le pouvoir discriminant de l'impulsion transverse du système diphoton et du cosθ* est aussi étudié. En particulier, une forte corrélation entre le cosθ* et la masse invariante diphoton est observée. Le bruit de fond semi-réductible (γ-jet) est normalisé à NLO avec 27% d'erreurs systématiques. Une nouvelle normalisation qui s'applique après l'identification des photons est proposée. Elle prend en compte la différente réjection des jets provenant de quark ou de gluon et est estimée à 1.9 ± 0.6. Les perspectives d'exclusion du boson de Higgs dans le canal diphoton à 10 TeV et l'extrapolation à 7 TeV pour un luminosité intégrée de 1 f b^−1 sont présentées. Dans le dernier scénario, environ 5 fois le Modèle Standard est exclu à 95% de niveau de confiance pour une masse du boson de Higgs autour de 120 GeV/c^2 .
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