Study of the Higgs boson discovery potential, produced by the vector boson fusion with the ATLAS detector and commissioning of calorimetric transverse missing energy
Potentiel de découverte par le détecteur ATLAS du boson de Higgs produit par fusion de bosons vecteurs et mise au point de la mesure de l'énergie transverse manquante calorimétrique
Résumé
The subject of this thesis is the evaluation of the discovery potential of the ATLAS detector at the Large Hadron Collider for the Standard Model Higgs boson in vector boson fusion (VBF) production and a subsequent decay into a τ -lepton pair (H → τ ^+ τ^ −). This is one of the most promising discovery channels in the low mass range, which is the mass range favored from precision measurements of the electroweak interaction. The decay modes where both τ leptons decay leptonically and where one τ lepton decays leptonically and the other one hadronically were studied. The characteristic vector boson fusion topology, which consists of two jets in the forward regions of the detector and the Higgs boson decay products in the central region, provides a unique signature allowing the suppression of background. In addition, since vector boson fusion is a purely electroweak process, no QCD activity is expected and thus no central jets are expected for signal events. This allows the central jet veto cut application to further reject background processes. A cut-oriented analysis was used, focusing on the central jet veto cut optimization. The main ob jective was to investigate the Higgs boson ATLAS discovery potential with an integrated luminosity of 30 fb^−1 in the mass range 115 GeV ≤m_H ≤140 GeV, for an LHC energy at the center of mass √s=14 TeV. After the application of all cuts, an excess above 5σ of signal significance was found for the mass range 115 GeV ≤m_H ≤125 GeV. In H → τ^ + τ^ − decay channel, transverse missing energy (E_T ) resolution is of high importance since it affects directly the resolution of the Higgs boson mass. This was the initial motivation for performing and presenting in this thesis a calorimetric commissioning study based on E_T quantities, focused on the electronics noise E_T contribution, measured with cosmics data of the period fall 2008. A Gaussian behavior of noise in all liquid argon calorimeters was found, whereas a region of non-Gaussian tails in scintillating tile calorimeter was high-lighted. For the latter, a new noise model was tested using a double Gaussian parameterization resulting in a more realistic description. Finally, this analysis provided a useful calorimeter commissioning tool, which allowed the observation and the correction of several features in the ATLAS calorimeter behavior.
Le but de cette thèse est d'évaluer le potentiel de découverte par le détecteur ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) du boson de Higgs du modèle standard. Le mode de production etudié est défini par la fusion de bosons vecteurs (VBF) suivie de la désintégration en une paire de leptons τ (H → τ ^+ τ ^−). C'est l'un des canaux de découverte les plus prometteurs pour un boson de Higgs de basse masse, qui est favorisé par les mesures de précision dans le secteur électro-faible. Deux modes de désintégration ont été étudiés: celui où les deux leptons τ se d´esintègrent en lepton et celui où un lepton τ se désintègre en lepton et l'autre en hadron. La topologie caractéristique de fusion de bosons vecteurs, qui est constituée des deux jets vers l'avant du détecteur et des produits de désintégration de boson de Higgs dans la région centrale, fournit une signature unique permettant la suppression du bruit de fond. En outre, puisque la fusion des bosons vecteurs est un processus purement électro-faible, aucune activité de QCD n'est prévue et donc aucun jet central n'est attendu pour des événements de signal. Ceci permet l'application de la coupure de “central jet veto” pour encore réduire le bruit de fond. Une analyse basée sur des coupures a été utilisée, se concentrant sur l'optimisation de la coupure de “central jet veto”. L'objectif principal était d'étudier le potentiel de découverte du boson de Higgs avec ATLAS, sous une luminosité intégrée de 30 fb^−1 dans la gamme de masse 115 GeV≤ m_H ≤140 GeV, pour une énergie au centre de la masse √s=14 TeV. Après l'application des coupures, un excès au-dessus de 5σ de signal significance a été trouvé pour la gamme de masse 115 GeV ≤ m_H ≤125 GeV. Dans le canal de désintégration H → τ^ + τ ^ −, la résolution de l'énergie transverse manquante ( E_T ) est importante puisqu'elle affecte directement la résolution sur la masse du boson de Higgs. Cela a été la motivation initiale pour réaliser et présenter dans cette thèse une étude de “commissioning” calorimétrique basé sur les quantités E_T , plus particulièrement sur la contribution du bruit de l'électronique, mesurée dans des événements cosmiques enregistrés pendant l'automne 2008. Un comportement gaussien de bruit dans tous les calorimètres de l'argon liquide a été trouvé, tandis qu'un comportement non-gaussien dans une partie du calorimètre à tuile scintillante a été observé. Pour ce dernier, un nouveau modèle de bruit a été examiné utilisant une paramétrisation de double gaussienne ayant pour résultat une description plus réaliste. En conclusion, cette analyse a fourni un outil de “commissioning” du calorimètre, qui a permis l'observation et la correction de plusieurs effets dans le comportement des calorimètres d'ATLAS.
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