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Recherche de signaux de nouvelle physique par l’étude de paires de bosons des jauge avec le détecteur ATLAS

Le sujet de stage et de thèse proposé utilise les états finaux avec paires de bosons de jauge (W et Z) produits dans les interactions proton-proton au LHC à une énergie de 13.6 TeV, comme sondes pour la recherche de signaux de nouvelle physique. Cette recherche est un des objectifs majeurs du LHC, suite à l’observation du boson de Higgs en 2012.

De nouvelles particules peuvent modifier les couplages entre bosons de jauge même sans pouvoir être produites directement du fait de leur masse élevée. L’étude de la production de paires de bosons de jauge effectuée de façon inclusive ou en association avec deux jets donne accès aux couplages à trois ou quatre bosons de jauge. Elle représente ainsi un sujet prometteur et complémentaire des recherches directes de nouvelle physique qui semblent, jusqu’à présent, rester infructueuses. De plus, le mécanisme de Higgs est un élément essentiel du Modèle Standard permettant que la section efficace calculée de la diffusion de bosons de jauge ne diverge pas aux énergies élevées, soit dans le régime où de nouvelles particules ou interactions sont attendues. La validation de ces calculs par l’étude expérimentale des couplages entre bosons de jauge est donc complémentaire des mesures basées sur la détection directe du boson de Higgs, qui, elle, explore par contre des énergies plus faibles, de l’ordre de la masse du boson de Higgs. Le moment est propice au démarrage d’un travail de thèse au LHC : après un arrêt d’environ trois ans pour la mise à niveau des détecteurs et de la machine, le LHC entrera en 2022 dans une nouvelle phase (Run 3), avec une augmentation de l’énergie de collision dans le centre-de-masse de 13 à 13.6 TeV. A la fin du Run 3, qui durera environ trois ans, l’échantillon de données aura plus que doublé. Avoir l’opportunité unique de suivre la mise en service de ATLAS après un long arrêt, est également très formateur pour un étudiant.

Résumé du travail de stage

Le projet de stage porte sur l’analyse de la production inclusive d’une paire de bosons de jauge : un boson W et un boson Z se désintégrant de façon leptonique. Son but est d’étudier si de nouvelles observables s’appuyant sur les angles des produits de désintégration des bosons de jauge pourraient améliorer la sensibilité à la nouvelle physique. En effet, l’existence de couplages anomaux entre bosons de jauge peut donner lieu à une modification de leur état de polarisation. Ces observables angulaires permettent justement d’accéder aux états de polarisation des bosons. Les études similaires de polarisation des bosons de jauge effectuées jusqu’à présent sont limitées par l’incertitude statistique des données, et, au LHC, n’ont encore été conduites que partiellement. Les outils de base pour ce travail de stage seront les simulations des processus de signal et de bruit de fond, qui pourront être comparées aux données. Le groupe a une forte présence au sein de la collaboration ATLAS dans le domaine de la production de paires de bosons de jauge, ce qui facilitera la prise en main de l’analyse par l’étudiant. L’étudiant pourra être emmené à interagir avec les théoriciens.

Indication éventuelle d’ouverture vers un sujet de thèse :

Le stage pourra se prolonger par une thèse qui aura comme thème principal la mesure de la production de paires de bosons de jauge associées avec deux jets, en utilisant les données qui seront recueillies à partir de 2022. Ces états finaux rares permettent d’investiguer la diffusion de bosons vecteurs et donc les couplages entre quatre bosons de jauge. L’étude des distributions angulaires a un intérêt particulier car la diffusion de bosons de jauge polarisés longitudinalement est étroitement liée au mécanisme de Higgs. Une première mesure de la polarisation des bosons dans ces états finaux peut être envisagée avec les données du Run 3. De nouvelles observables et techniques d’analyse basées sur l’apprentissage automatique (« machine learning ») devront être développées pour cela. L’étudiant pourra alors compter sur l’expertise actuelle du groupe en la matière. Par ailleurs, l’étude ici proposée permet une excellente préparation aux analyses pour la phase de haute luminosité du LHC prévue après l’arrêt technique de la machine qui suivra le Run 3. Le sujet est donc très porteur. Les membres du groupe du LAPP ont une longue expérience dans l’étude des états finaux avec bosons de jauge, ayant déjà effectué les analyses des données à 8 et 13 TeV. La proximité du LAPP avec le CERN facilitera l’implication directe de l’étudiant dans la vie de l’expérience, incluant la participation aux prises de données et aux réunions de la collaboration. Les contacts avec les théoriciens seront également facilités par la présence du LAPTh dans les mêmes locaux. Dans la collaboration ATLAS l’étudiant sera emmené à s’investir aussi dans des taches plus techniques : contributions aux projets hardware du groupe ou liées à la compréhension de la réponse des détecteurs et de leur performance (détection des leptons, des photons, reconstruction des jets ou de l’énergie transverse manquante). Le travail d’analyse des données bénéficiera de ce travail technique.

o Niveau : Master 2

o Responsable : Lucia Di Ciaccio

o Téléphone : 04 50 09 16 24

o e-mail : Lucia-di-ciaccio@lapp.in2p3.fr

Sujet détaillé :