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Submitted on 11 Aug 2009
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Etude de la recherche du boson de Higgs en deux photons dans l’expérience ATLAS au LHC et calibration
du calorimètre à Argon liquide
Jean-François Marchand
To cite this version:
Jean-François Marchand. Etude de la recherche du boson de Higgs en deux photons dans l’expérience
ATLAS au LHC et calibration du calorimètre à Argon liquide. Physique des Hautes Energies -
Expérience [hep-ex]. Université de Savoie, 2009. Français. �tel-00409678�
THÈSE
présentée par
pour obtenir legrade de
DOCTEUR EN SCIENCES
Spéialité:Physique des Partiules Université de Savoie
Jean-François MARCHAND
Etude de la reherhe du boson de Higgs en deux
photons dans l'expériene ATLAS au LHC et
alibration du alorimètre à Argon liquide
Soutenue le3 juin2009 devant lejury omposé de :
- COUSINOU, Marie-Claude,
- FAYARD, Louis, Rapporteur,
- GIANOTTI, Fabiola,
- KARYOTAKIS, Yannis,
- VANLAER, Pasal, Rapporteur,
Anne-Sophie,
etmes parents.
Introdution 1
1 Le Modèle Standard 3
1.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Les fermions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Les bosonsveteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Formalismelagrangien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Invariane de jaugeet QED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 Transformationsde phase globales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Transformationsde jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Invariane de jaugenon-abélienne etQCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Interationéletrofaible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.1 Brisurespontanéede symétrie- Méanismede Higgs . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.2 Choix duhamp de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.3 Massedesbosons de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.4 Massedesfermions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6 Le lagrangiendumodèlestandard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7 Limitessur lamassedu boson de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.7.1 Limitesthéoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.7.2 Limitesexpérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.8 Reherheduboson de HiggsauLHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.8.1 Les diérentsmodesde prodution dubosonde Higgs. . . . . . . . . . . . . . . 37
1.8.2 Les diérentsanaux de désintegrationdubosonde Higgs . . . . . . . . . . . . 37
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Le déteteur ATLAS 41
2.2 Desriptiongénéraledudéteteur ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Ledéteteur interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1 Ledéteteur àpixels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.2 Ledéteteur àmiro-pistesde siliium(SCT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.3 Ledéteteur àtransitionde radiation(TRT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4 Lesolénoïde entral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5 Les alorimètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5.1 Lealorimètreéletromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.2 Lealorimètrehadronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6 Lespetromètre àmuons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.1 Les hambresde préision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.2 Les hambresde délenhement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.7 Systèmede délenhement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7.1 Premierniveaude délenhement :L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7.2 Seond niveaude délenhement :L2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7.3 Troisièmeniveaude délenhement :EF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Le alorimètreéletromagnétique d'ATLAS 65 3.1 Desriptiondualorimètre életromagnétiqued'ATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.1 Desriptiongénérale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.2 Lesignal d'ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.3 Performanes requises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.4 Performanes attendues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Eletroniquede traitementdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1 Les artesd'aquisitionfrontale (FEB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2 Les artesde alibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Mesuresdesperformanesdes artesde alibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.1 Uniformitéen temps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.2 Nonlinéaritéintégrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.3 Osets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.4 R self ou sonreetf step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.5 Mesurede alibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.6 Uniformitédusignalde alibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4 Changementsde gain surles FEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.1 Seuil Moyen Gain- Haut Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.2 Seuil Moyen Gain- BasGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4 Reonstrution des onversions 99 4.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 Conversionsde photons dansles évènements H ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.1 Estimationdunombre de onversionsattendues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.2 Taux de onversionsdansles évènementsH ! . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Reonstrutiondesonversions dansATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.1 Reonstrutiondes traesdansATLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.2 Reonstrutiondes lusterséletromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.3 Dénition desonversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4 Performanes de lareonstrutiondes onversions- Version 12 . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.1 Eaité de reonstrutiondesonversionsàdeux traes . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.2 Eaité de reonstrutiondesonversionsàune seuletrae . . . . . . . . . . . 110
4.4.3 Résolutionsurle rayon de onversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.5 Performanes de lareonstrutiondes onversions- Version 14 . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.1 Eaité de reonstrutiondesonversionsàdeux traes . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.2 Eaité de reonstrutiondesonversionsàune trae . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.3 Eaité globalede reonstrution desonversions . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.4 Résolutionsurle rayon de onversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.6 Conversionset H ! danslarelease 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.6.1 Frationdesdiérents typesde photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.6.2 Déplaementen énergiedesphotons onvertis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.6.3 Conversionsmultiplesdansles évènements H ! . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.7 Conversionset H ! danslarelease 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.7.1 Photons et onversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.7.2 Séparationéletrons-photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.7.3 Disriminationmultivariable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.7.4 Un outilde lassement desonversions:ConversionFlagTool . . . . . . . . . . . 150
4.8 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5 Reherhe du boson de Higgs dans le analH ! 157
5.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2 Signalet bruit de fond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2.1 Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2.2 Bruitde fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3 Identiationdesphotons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.3.1 Identiationalorimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.3.2 Isolationdestraes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.3.3 Eaitéde l'identiation etréjetiondesjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.3.4 Réjetionutilisantles onversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.4 Corretionde ladiretiondesphotons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.4.1 Fititératif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.4.2 Utilisationde l'informationdonnée parlesonversions . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.5 Masseinvariantem et résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.6 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.6.1 Premierniveaude délenhement :L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.6.2 Seond niveaude délenhement :L2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.6.3 Dernierniveaude délenhement :EF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.6.4 Lemenu 2g20i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.7 Résultatsde l'analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.7.1 Analyseinlusive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.7.2 AnalyseH +1jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.7.3 AnalyseH +2jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.7.4 AnalyseH+E miss T et leptonsisolés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.7.5 AnalyseH+E miss T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.8 Fitmultivariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.8.1 Variables dut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.8.2 Catégoriesdut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.8.3 Résultatsdut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.9 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6 Simulation des évènements 203 6.1 Simulationomplète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
