Perspectives à haute luminosité

Avec la luminosité actuelle du Run 2, l’analyse boostée est limitée par la statistique des événements sélectionnés. Le gain en sensibilité lié à l’ajout de l’analyse boosté dans l’analyse résolue devrait augmenter avec la luminosité.

Pour tester cette hypothèse, la limite sur µ_t¯tH de l’analyse résolue est calculée avec une plus grande luminosité. Puis elle est comparée à celle obtenue quand elle est combinée avec

fit regions stat. only with syst. wo LJET syst.

R−B 0.633 0.920 0.919

R+B 0.606 0.865 0.863

R only 0.607 1.003 N/A

Table 5.15: Limite supérieure µL sur la force du signal (niveau de confiance de 95%) à

L = 36.5/fb.

systematics R only R+B R/R+B - 1 (%)

MC statistics 0.61 0.61 0.3

incl. cross sections 0.63 0.63 0.2

incl. pile-up & luminosity 0.63 0.63 0.1

incl. JVT 0.63 0.63 0.2

incl. t¯t Generation 0.74 0.72 3.7

incl. t¯t Parton Shower 0.79 0.75 5.5

incl. t¯t Radiations 0.81 0.76 7.5

incl. t¯tH Parton Shower 0.84 0.79 7.1

incl. b-tagging 0.98 0.84 16.1

incl. small-R jet (JES,JER) 1.00 0.86 16.2 incl. large-R jet (JES,JMS,τ32) 1.00 0.87 16.0

Table 5.16: Evolution de la limite résolue et combinée à L = 36.5/fb obtenue en ajoutant des sources d’incertitude systématiques les unes après les autres, regroupées en un ensemble des onze catégories.

l’analyse boostée (Table 5.17). Passer de 36.5/fb à 300/fb permet de diminuer la limite sur

µ_t¯tH de presque deux pour l’analyse résolue. L’amélioration apportée par l’analyse boostée décroît légèrement avec la luminosité, au lieu de montrer une augmentation comme attendu. Plusieurs causes peuvent être à l’origine de ce comportement. La première est que l’ana- lyse boostée actuelle n’est pas en mesure d’exploiter les topologies boostées pour lesquelles les partons de désintégrations du quark top hadronique ou du boson de Higgs sont séparés d’une distance ∆R < 0.4. L’utilisation d’un étiquetage des jets de b standard, appliqué à des jets standards de rayon 0.4, devrait certainement être améliorée en particulier pour éti- queter le candidat Higgs. D’autre part dans l’analyse actuelle aucun effort n’a été fait pour optimiser la sensibilité à haute impulsion : coupures en impulsion transverse, entraînement du BDT, etc...

Luminosity R only R+B R/(R+B) - 1 (%)

36.5 1.00 0.87 16.0

100 0.72 0.62 15.4

300 0.56 0.48 15.9

Table 5.17: Limite sur µt¯tH pour l’analyse résolue et combinée pour différentes luminosités

intégrées, et amélioration apportée par l’analyse boostée.

5.7.5 Conclusion

L’étude des topologies t¯tH(b¯b) boostées présentée dans ce chapitre a permis d’amélio-

rer l’étiquetage des quarks top hadroniques boostés dans les événements t¯tH. Elle a aussi

permis de mettre en place une analyse spécifique d’événements contenant deux grands jets, utilisée pour capturer les produits des désintégrations des quarks top hadroniques et des bosons de Higgs modérément boostés du signal t¯tH. L’analyse boostée à deux grands jets

est combinée avec l’analyse résolue afin d’améliorer la sensibilité globale de la recherche du processus t¯tH prédit par le modèle standard. Les estimations pour une luminosité de

36.5/fb montrent que l’analyse boostée n’apporte qu’une faible amélioration de la sensibilité à l’analyse résolue avec un gain de 2% sur la limite sur µ_t¯tH, en considérant uniquement les incertitudes statistiques. En ajoutant les incertitudes systématiques, la combinaison des analyses résolue et boostée semble apporter un gain notable sur l’analyse résolue seule, d’environ 15% sur la limite sur µ_t¯tH. Cependant, ce résultat doit être interprété avec pré- caution, car la majeure partie de l’amélioration ne vient pas de l’analyse boostée elle-même, mais du fait de traiter les événements boostés indépendamment des autres événements de l’analyse résolue. En effet, retirer les événements boostés de l’analyse résolue semble réduire l’impact des incertitudes systématiques, en particulier celles sur la modélisation des événe- ments t¯t + b, sur l’analyse résolue. Ceci laisse à penser qu’une partie de cette amélioration

est essentiellement due à des fluctuations statistiques dans les échantillons utilisés pour es- timer les incertitudes sur le processus t¯t + b. De plus, les investigations à haute luminosité,

jusqu’à L = 300/fb, montrent que l’analyse boostée, dans sa forme actuelle, n’améliore pas plus à l’analyse résolue qu’à la luminosité actuelle.

L’une des difficultés de l’analyse boostée t¯tH réside dans le fait qu’une proportion rela-

tivement faible des événements de signal produisent des quarks top et des bosons de Higgs boostés, en comparaison avec des analyses boostées recherchant des résonances de masses de l’ordre du TeV par exemple. Initialement, les coupures sur les impulsions transverses des grands jets ont été fixées à des valeurs suffisamment basses (200-250 GeV) pour permettre à l’analyse boostée de sélectionner un nombre non négligeable d’événements (une dizaine) avec la luminosité actuelle. En contrepartie, lorsque les quarks top hadroniques et bosons de Higgs sont reconstruits au sein de ces grands jets de rayon R = 1.0, la séparation angu- laire entre les partons de leur désintégration est suffisamment élevée pour qu’une majorité d’entre eux soient reconstruits sépararément à l’aide de jets standards de rayon R = 0.4. Par exemple, seulement 7% des bosons de Higgs associés aux grands jets d’impulsion transverse supérieure à 250 GeV émettent dans leur désintégration une paire de quarks b séparés de ∆R < 0.4, là où une analyse boostée basées sur des sous-structures pourrait sans ambiguïté apporter de l’information à l’analyse résolue (Figure 5.26). Davantage de luminosité per- mettra d’augmenter la coupure sur l’impulsion transverse pour se concentrer sur la région réellement boostée.

pair from Higgs boson b b R ∆ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Probability 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 ttH events matched to ) b b → H (

a large-R jet with > 250 GeV

T

p

Figure 5.26: Distribution normalisée de l’angle ∆R entre les quarks b de la désintégration du boson de Higgs, pour des événements t¯tH(b¯b) contenant un grand jet provenant d’un

boson de Higgs.

De plus, l’utilisation de sous-jets de très faible rayon, inférieur au rayon standard de 0.4, pour étiqueter les jets de quark b à l’intérieur des grands jets, avec par exemple l’utilisation de jets de traces de rayon R = 0.2, permettrait de résoudre les topologies non accessibles par l’analyse résolue [93]. Il faudrait pour cela porter une attention particulière à l’optimisation de l’étiquetage des jets de quark b sur ces sous-jets, pour obtenir le même niveau de per- formance que celle atteinte sur les jets standards. Enfin, on pourrait imaginer utiliser dans l’analyse boostée l’information obtenue par l’analyse résolue pour séparer les événements de signal et de bruit de fond. Cette méthode a été considérée dans cette étude et pourrait être testée avec une analyse boostée utilisant des sous-jets de très faible rayon pour étiqueter les

jets de quark b. Cela permettrait de combiner de manière optimale l’information boostée lorsque les produits de désintégration du quark top hadronique ou du boson de Higgs se chevauchent, et l’information résolue dans le cas contraire.

Bibliographie

[60] D. J. Lange. The EvtGen particle decay simulation package. Nucl. Instrum. Meth., A462 :152–155, 2001.

[61] J. Alwall, R. Frederix, S. Frixione, V. Hirschi, F. Maltoni, O. Mattelaer, H.-S. Shao, T. Stelzer, P. Torrielli, and M. Zaro. The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations. Journal of High Energy Physics, 7 :79, July 2014.

[62] T. Sjöstrand, S. Mrenna, and P. Skands. A brief introduction to PYTHIA 8.1. Com-

puter Physics Communications, 178 :852–867, June 2008.

[63] ATLAS Run 1 Pythia8 tunes. Technical Report ATL-PHYS-PUB-2014-021, CERN, Geneva, Nov 2014.

[64] R. D. Ball, V. Bertone, S. Carrazza, C. S. Deans, L. Del Debbio, S. Forte, A. Guffanti, N. P. Hartland, J. I. Latorre, J. Rojo, and M. Ubiali. Parton distributions for the LHC run II. Journal of High Energy Physics, 4 :40, April 2015.

[65] P. Artoisenet, R. Frederix, O. Mattelaer, and R. Rietkerk. Automatic spin-entangled decays of heavy resonances in Monte Carlo simulations. Journal of High Energy Phy-

sics, 3 :15, March 2013.

[66] A. Djouadi, J. Kalinowski, and M. Spira. HDECAY : a program for Higgs boson decays in the Standard Model and its supersymmetric extension. Computer Physics

Communications, 108 :56–74, January 1998.

[67] W. Beenakker, S. Dittmaier, M. Krämer, B. Plümper, M. Spira, and P. M. Zerwas. NLO QCD corrections to t¯tH production in hadron collisions. Nuclear Physics B,

653 :151–203, March 2003.

[68] S. Dawson, C. Jackson, L. H. Orr, L. Reina, and D. Wackeroth. Associated Higgs boson production with top quarks at the CERN Large Hadron Collider : NLO QCD corrections. Physical Review D, 68(3) :034022, August 2003.

[69] Z. Yu, M. Wen-Gan, Z. Ren-You, C. Chong, and G. Lei. QCD NLO and EW NLO corrections to t¯tH production with top quark decays at hadron collider. ArXiv e-prints,

July 2014.

[70] S. Frixione, V. Hirschi, D. Pagani, H.-S. Shao, and M. Zaro. Electroweak and QCD corrections to top-pair hadroproduction in association with heavy bosons. Journal of

[71] S. Alioli, P. Nason, C. Oleari, and E. Re. A general framework for implementing NLO calculations in shower Monte Carlo programs : the POWHEG BOX. Journal of High

Energy Physics, 6 :43, June 2010.

[72] Torbjorn Sjostrand, Stephen Mrenna, and Peter Z. Skands. PYTHIA 6.4 Physics and Manual. JHEP, 05 :026, 2006.

[73] Pavel M. Nadolsky, Hung-Liang Lai, Qing-Hong Cao, Joey Huston, Jon Pumplin, Da- niel Stump, Wu-Ki Tung, and C. P. Yuan. Implications of CTEQ global analysis for collider observables. Phys. Rev., D78 :013004, 2008.

[74] Peter Zeiler Skands. Tuning Monte Carlo Generators : The Perugia Tunes. Phys. Rev., D82 :074018, 2010.

[75] Michal Czakon and Alexander Mitov. Top++ : A Program for the Calculation of the Top-Pair Cross-Section at Hadron Colliders. Comput. Phys. Commun., 185 :2930, 2014.

[76] Matteo Cacciari, Michal Czakon, Michelangelo Mangano, Alexander Mitov, and Paolo Nason. Top-pair production at hadron colliders with next-to-next-to-leading logarith- mic soft-gluon resummation. Phys. Lett., B710 :612–622, 2012.

[77] Emanuele Re. Single-top Wt-channel production matched with parton showers using the POWHEG method. Eur. Phys. J., C71 :1547, 2011.

[78] Simone Alioli, Paolo Nason, Carlo Oleari, and Emanuele Re. NLO single-top production matched with shower in POWHEG : s- and t-channel contributions. JHEP, 09 :111, 2009. [Erratum : JHEP02,011(2010)].

[79] Stefano Frixione, Eric Laenen, Patrick Motylinski, Bryan R. Webber, and Chris D. White. Single-top hadroproduction in association with a W boson. JHEP, 07 :029, 2008.

[80] Nikolaos Kidonakis. Two-loop soft anomalous dimensions for single top quark associa- ted production with a W- or H-. Phys. Rev., D82 :054018, 2010.

[81] Nikolaos Kidonakis. NNLL resummation for s-channel single top quark production.

Phys. Rev., D81 :054028, 2010.

[82] Nikolaos Kidonakis. Next-to-next-to-leading-order collinear and soft gluon corrections for t-channel single top quark production. Phys. Rev., D83 :091503, 2011.

[83] Tanju Gleisberg and Stefan Hoeche. Comix, a new matrix element generator. JHEP, 12 :039, 2008.

[84] Steffen Schumann and Frank Krauss. A Parton shower algorithm based on Catani- Seymour dipole factorisation. JHEP, 03 :038, 2008.

[85] Stefan Hoeche, Frank Krauss, Marek Schonherr, and Frank Siegert. QCD matrix ele- ments + parton showers : The NLO case. JHEP, 04 :027, 2013.

[86] Measurement of W and Z Boson Production Cross Sections in pp Collisions at root s = 13 TeV in the ATLAS Detector. Technical Report ATLAS-CONF-2015-039, CERN, Geneva, Aug 2015.

[87] S Artz and al. Upgrade of the ATLAS Central Trigger for LHC Run-2. Technical Report ATL-DAQ-PROC-2014-042. 02, CERN, Geneva, Nov 2014.

[88] Search for the Standard Model Higgs boson produced in association with top quarks and decaying into bb in pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector. Technical

Report ATLAS-CONF-2016-080, CERN, Geneva, Aug 2016.

[89] Boosted hadronic top identification at ATLAS for early 13 TeV data. Technical Report ATL-PHYS-PUB-2015-053, CERN, Geneva, Dec 2015.

[90] P Speckmayer, A Hocker, J Stelzer, and H Voss. The toolkit for multivariate data analysis : TMVA 4. J. Phys. : Conf. Ser., 219 :032057, 2010.

[91] Calibration of ATLAS b-tagging algorithms in dense jet environments. Technical Report ATLAS-CONF-2016-001, CERN, Geneva, Feb 2016.

[92] G. Cowan, K. Cranmer, E. Gross, and O. Vitells. Asymptotic formulae for likelihood- based tests of new physics. European Physical Journal C, 71 :1554, February 2011. [93] Flavor Tagging with Track Jets in Boosted Topologies with the ATLAS Detector.

La découverte du boson de Higgs au LHC a ouvert de nouvelles voies d’exploration en physique des hautes énergies. Pour les expériences ATLAS et CMS, l’observation de l’interaction entre le boson de Higgs et le quark top est actuellement un enjeu majeur. Cette interaction intervient dans les processus t¯tH produits dans les collisions de protons fournies

par le LHC. Le canal t¯tH(b¯b) lepton + jets, provenant d’une paire t¯t se désintégrant de

façon semi-leptonique et d’un boson de Higgs se désintégrant en une paire b¯b, est l’un des

canaux les plus prometteurs pour observer le processus t¯tH. Cependant, le signal t¯tH(b¯b) tel

qu’il est prédit par le modèle standard reste difficile à observer, car il est faible par rapport aux processus de bruit de fond t¯t, en particulier par rapport au processus t¯t + b¯b, dont la

modélisation est une source d’incertitude majeure. La combinaison des analyses t¯tH(b¯b), multi-leptons et t¯tH(γγ) devrait permettre, à la fin du Run 2 avec une luminosité attendue

de L = 150/fb, aux collaborations ATLAS et CMS d’observer indépendamment le signal

t¯tH avec une signification statistique proche de 5σ.

Au cours de cette thèse, des méthodes d’identification de quark top boosté ainsi qu’un canal boosté t¯tH (b¯b) ont été étudiés afin d’améliorer la sensibilité de l’analyse t¯tH (b¯b)

dans le canal lepton + jets. Ce canal boosté se caractérise par la présence à la fois d’un quark top et d’un boson de Higgs boostés. Ces études ont été développées à l’aide d’outils dédiés aux topologies boostées, comme les jets de grand rayon et les variables de sous- strutures associées. Une analyse multivariée a été réalisée à l’aide des variables boostées, dont les distributions simulées semblent reproduire les données avec justesse. Les estimations montrent que le canal boosté n’améliore que très légérement l’analyse lepton+jets standard si on ne considére que les incertitudes statistiques. Ce premier résultat nous apprend que l’analyse boostée ne fait pas beaucoup mieux que l’analyse résolue pour séparer le signal du bruit de fond pour les événements qu’elle sélectionne, malgré l’utilisation de techniques à la fois boostées et résolues. En prenant en compte les principales sources d’incertitudes systématiques, un gain notable en sensibilité est observé mais le manque de statistique dans la simulation des bruits de fond ne permet pas de conclure de manière définitive. Enfin, les estimations montrent que le gain en sensibilité lié à l’ajout de l’analyse boostée actuelle à l’analyse lepton+jets standard n’augmente pas avec la luminosité. Ces conclusions indiquent que l’analyse boostée devrait se focaliser à l’avenir sur des événements bien plus boostés que ceux étudiés dans cette thèse, afin d’utiliser optimalement des événements auxquels l’analyse résolue n’est pas sensible.

Ces travaux ont été accompagnés d’études sur l’étiquetage de jets de quarks b avec une étude sur la sélection des traces utilisées par JetFitter pour reconstruire les vertex secondaires à haute impulsion de jet. Une sélection basée sur l’impulsion des traces afin de rejeter les traces ne provenant pas des désintégrations de hadron b, montre une amélioration limitée des performances d’identication de jet de b et indique la nécessité de considérer des techniques plus sophistiquées. Les variables calculées à partir des propriétés des vertex secondaires reconstruits par JetFitter ont également été étudiées, permettant notamment d’améliorer l’identification des jets de quarks c. Enfin, le développement de l’algorithme multivarié MV2, qui combine l’information des algorithmes de reconstruction de vertex

secondaires (JetFitter et SV1) et utilisant les paramètres d’impact des traces (IPxD), a aboutit à l’amélioration notable des performances d’identification de jets de quarks b.

Remerciements

J’aimerais remercier trois personnes qui ont beaucoup compté pour moi durant cette belle aventure de la thèse : mes superviseurs Henri Bachacou et Frédéric Déliot, et ma copine Laura Pacheco.

Tout d’abord, Frédéric, pour m’avoir fait confiance dès le début, pour m’avoir accom- pagné et fait voyager (au sens propre comme au figuré) dans le monde de la physique des particules. Ensuite, Henri, que j’ai vraiment découvert lors de mes séjours au Cern à Ge- nève. Ce fut l’une des plus belles collaborations de ma vie. Henri m’a révélé les concepts simples derrière la complexité des recherches expérimentales de physique des particules, et m’a aidé (malgré mes réticences) à me focaliser sur ce qui est important dans un travail de recherche. Les conseils justes de mes superviseurs m’ont été d’une grande utilité pendant cette thèse et m’accompagneront j’en suis sûr tout au long de ma vie. Enfin, j’ai rencontré une personne magnifique au CEA, Laura, avec qui j’ai partagé des moments passionnants de physique des particules, et qui m’a toujours soutenu.