Optimization of the ATLAS detector for the search of Higgs boson decaying into two photons at the LHC

Optimisation du détecteur ATLAS pour la recherche du boson de Higgs se désintegrant en deux photons au LHC

Vincent Tisserand (1)

1 LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire

The decay mode into a pair of photons is the cleanest way to find a Higgs boson with intermediate mass of great future proton collider at CERN, the LHC. Since the natural width of the Higgs is very narrow in this area, its observation in this channel is based on the performance of the electromagnetic calorimeter. A comprehensive study was conducted to evaluate the discovery potential of ATLAS detector. The parameters and geometry of liquid argon electromagnetic calorimeter has been optimized. The simulation results used for this work are confirmed by tests on a prototype beam. This simulation includes different contributions as the end of sampling, electronic sounds and stacking, the total constant term of the calorimeter and measuring the direction of the photon emission angle of the pair. The level of background noise irreducible pairs of direct photons was evaluated, as is the background noise reducible jets of hadrons, particularly that of the isolated neutral pions. For this, the detector's ability to reject these background noise was estimated. The calculation of the invariant mass resolution of photon pairs and the estimated rate of signal events and background noise were used to calculate the Higgs discovery potential of the ATLAS detector for this channel. A systematic effect more than five standard deviations will be highlighted in a year of data taking at the LHC if the Higgs boson mass is 100 GeV/c2 and 150 GeV/c2.

Le mode de désintégration en une paire de photons est la signature la plus claire permettant de rechercher un boson de Higgs de masse intermédiaire auprès du futur grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Puisque la largeur naturelle du Higgs est très faible dans cette zone, son observation dans ce canal repose sur les performances du calorimètre électromagnétique. Une étude complète a été effectuée pour évaluer le potentiel de découverte du détecteur ATLAS. Les paramètres et la géométrie du calorimètre électromagnétique à argon liquide ont été optimisés. Les résultats de la simulation utilisée pour ce travail sont confirmés par des tests sur faisceau d'un prototype. Cette simulation inclut différentes contributions comme le terme d'échantillonnage, les bruits d'électronique et d'empilement, le terme constant global du calorimètre et la mesure de direction de l'angle d'émission des photons de la paire. Le niveau de bruit de fond irréductible des paires de photons directs a été évalué, tout comme celui du bruit de fond réductible des jets de hadrons, et plus particulièrement celui des pions neutres isolés. Pour cela, la capacité du détecteur à rejeter ces bruits de fonds a été estimée. Le calcul de la résolution de masse invariante des paires de photons et l'estimation du taux d'événements de signal et de bruit de fond ont permis de calculer le potentiel de découverte du Higgs par le détecteur ATLAS pour ce canal. Un effet systématique à plus de cinq écarts types sera mis en évidence en une année de prise de données au LHC, si la masse du boson de Higgs est comprise entre 100 GeV/c2 et 150 GeV/c2.

Mots clés: Particle detectors; Calorimeters; Higgs bosons; Intermediate boson decay; Electromagnetic decays; Photons

Mots clés: Détecteur particule; Calorimètre; Boson Higgs; Désintégration boson intermédiaire; Désintégration électromagnétique; Photon

Domaines: Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

Vincent Tisserand. Optimisation du détecteur ATLAS pour la recherche du boson de Higgs se désintegrant en deux photons au LHC. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Université Paris Sud - Paris XI, 1997. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00544731⟩