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Accueil > Thèses, Stages, Formation et Enseignement > Propositions de thèses 2023 > Mesure de la masse du quark top avec des événements ttbar avec des mésons J/ψ et D dans l’état final. Études et réalisation du détecteur de temps hautement granulaire (HGTD) dans l’expérience ATLAS auprès du LHC. Measurement of the top quark mass using ttbar events with J/ψ and D mesons in the final state. Study and realization of a High Granularity Timing Detector (HGTD) for the ATLAS detector for the High Luminosity phase of the LHC.

Mesure de la masse du quark top avec des événements ttbar avec des mésons J/ψ et D dans l’état final. Études et réalisation du détecteur de temps hautement granulaire (HGTD) dans l’expérience ATLAS auprès du LHC. Measurement of the top quark mass using ttbar events with J/ψ and D mesons in the final state. Study and realization of a High Granularity Timing Detector (HGTD) for the ATLAS detector for the High Luminosity phase of the LHC.

par Tristan Beau - 16 novembre 2022

Titre : Mesure de la masse du quark top avec des événements ttbar avec des mésons J/ψ et D dans l’état final. Études et réalisation du détecteur de temps hautement granulaire (HGTD) dans l’expérience ATLAS auprès du LHC. Measurement of the top quark mass using ttbar events with J/ψ and D mesons in the final state. Study and realization of a High Granularity Timing Detector (HGTD) for the ATLAS detector for the High Luminosity phase of the LHC

Directrice/directeur de thèse : Frédéric DERUE

Co-encadrant.e : Dider LACOUR

Groupe d’accueil :ATLAS-LPNHE

Webpages du projet :
- https://lpnhe.in2p3.fr/spip.php?rubrique7
- http://atlas.web.cern.ch/Atlas/Collaboration/
- https://atlas.cern/updates/atlas-news/scientific-potential-high-luminosity-lhc

Collaboration : ATLAS

Description :

Résumé :
Le sujet d’analyse de la thèse porte sur la mesure de la masse du quark top, dans le mode de désintégration d’un quark b en J/ψ ou en mésons D avec les données de l’expérience ATLAS collectées lors des Run-2 et 3 du LHC. Une partie instrumentale additionnelle porte sur la participation au développement du détecteur de temps hautement granulaire (HGTD) pour les traces à haute rapidité qui sera mis en place pour la phase de haute luminosité du LHC.

Contexte :
ATLAS est l’une des expériences auprès du LHC, le collisionneur proton-proton du CERN, dont la troisième période de fonctionnement (Run-3) a débuté l’été 2022. Le groupe ATLAS du LPNHE est constitué d’une petite trentaine de physiciennes et physiciens permanents et non permanents. L’équipe technique est composée d’ingénieurs et techniciens des services d’électronique, de mécanique et d’informatique. Le groupe a participé à la construction du calorimètre électromagnétique ainsi qu’à l’évaluation de ses performances en tests en faisceaux, avec des rayons cosmiques et avec les données de collision. ll est maintenant impliqué dans la mise au point du détecteur à pixels (ITK) et du calorimètre High Granularity Timing Detector (HGTD), qui seront utilisés pour la phase de très haute luminosité du LHC (HL-LHC). Le détecteur HGTD permettra une amélioration significative des performances d’ATLAS grâce à une meilleure séparation entre les événements issus de la collision dure et ceux liés à l’empilement.

Sujet :
Le sujet d’analyse de la thèse porte sur une mesure de précision de la masse du quark top. Celui-ci est le seul fermion élémentaire ayant une masse de l’ordre de l’échelle électrofaible. Il se trouve ainsi être un secteur privilégié pour l’étude de la brisure de la symétrie électrofaible. La masse du quark top est un des paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Les corrections radiatives à la masse du quark top dépendent de la masse du boson W et de la masse du boson de Higgs. Il est donc important de pouvoir comparer avec une grande précision ces différentes mesures de masse afin de pouvoir mettre en évidence de possibles effets non prévus par le Modèle Standard.
L’étudiant.e travaillera sur un lot d’événements dans lesquels l’un des quarks top se désintègre en un W (donnant un lepton et un neutrino) et un quark b, qui lui même se désintègre soit en un J/ψ→mm soit en un méson D. La mesure s’effectuera avec la méthode dite des patrons (« templates ») qui est basée sur la comparaison entre les données et les simulations d’une observable sensible à la masse du quark top. Cette observable est la masse invariante formée des trois leptons/traces issus du quark top. Cette mesure nécessite une grande statistique et bénéficiera donc de l’utilisation de l’ensemble des données accumulées, en particulier celles du Run-3. Des études spécifiques seront effectuées sur des effets systématiques, en particulier liées à la modélisation de la fragmentation des quarks b.

La partie instrumentale de la thèse s’inscrit dans le contexte de la mise à niveau détecteur pour la phase de haute luminosité HL-LHC et pourra comporter plusieurs aspects en fonction de l’avancement du projet.
L’étudiant.e aura un engagement dans les tests des prototypes de détecteurs. Elle/il pourra participer aux tests en faisceau effectués auprès d’accélérateurs au CERN (Genève) et à DESY (Hambourg) et travaillera sur l’analyse des données ainsi collectées. Le LPNHE étant en charge de l’aspect mécanique de l’assemblage des élément de détecteur de HGTD, l’étudiant.e pourra contribuer dès le début de la thèse à la validation de prototypes et à la mise en place du système d’assemblage des unités de détection qui constitueront le détecteur final.
Un engagement dans les activités de simulation du détecteur afin d’en optimiser les caractéristiques et d’en connaître les performances futures pour les analyses de physique est également envisageable.
L’étudiant.e sera amené.e à présenter régulièrement ses travaux dans les réunions de travail de la collaboration ATLAS.

Summary :
The analysis subject is about the top quark mass measurement using b-quark decaying into either a J/y or D mesons with the data collected by the ATLAS experiment during the Run-2 and Run-3 LHC data taking. An instrumental additional partdeals with the participation to the development of the high granularity timing detector (HGTD) for the reconstruction of tracks at high rapidity which will be used during the high luminosity phase of the LHC.

Context :
ATLAS is one the experiments at the LHC, the proton-proton collider at CERN, which Run-3 data taking phase started in summer 2022. The ATLAS group at LPNHE is made of about thirty physicits staff and non-staff. The technical team consists in engineers and technicians in the computing, electronic and mechanic departments. The group has participated to the building of the electromagnetic calorimeter as well as the evaluation of its performance with test beams and real collision data. It is not implicated in the development and installation of the pixel detector (ITK) and high granlurity timing detector (HGTD) which will be used during the high-luminosity phase of the LHC (HL-LHC). HGTD will allow a significative improvement of ATLAS performances, providing a better separation between events resulting from hard-scattering and those related to the pile-up.

Subject :
The analysis subject is about the precise measurement of the top quark mass. This particle is the only elementary fermion having a mass of the order of the electroweak scale. It happens thus to be a privileged sector to study the electroweak symmetry mechanism. The top quark mass is one of the fundamental parameter of the Standard Model (SM). Radiative corrections to the top quark mass depend on the W and Higgs boson masses. It is thus important to compare them with a high precision in order to be able to see effects non predicted by the SM.
The student will work on a data sample where one of the top quarks decays into a W boson (decaying into a lepton and a neutrino) and a b quark, itself decaying into either a J/y→mm or a D meson. The measurement will be done using a template method based on the comparison between real and simulated data of an observable sensitive to the top quark mass. This observable is the invariant mass of the lepton-meson system. The measurement is limited by its statistical precision and will thus benefit from the higher data sample collected during the Run-3. Specific studies will be done on some of the systematic uncertainties in particular the one on the modelling of the b-quark fragmentation.

The instrumental part concerns the upgrade of the detector for the high luminosity phase and could cope with different aspects depending on the status of the project at the beginnin of the contract. The student will have a commitment on tests of the prototypes of the detectors. He/she could participate to test beams done at accelerators facilities at CER N (Geneva) and DESY (Hambourg) and will work on the analysis of the collected data. LPNHE being in charge of the mechanical aspects of the assembly of the HGTD detector, the student could contribue from the beginning of the PhD to the validation of the prototypes and to the setup of the assembling system of the detection units which will form the final detector.
A participation to the detector simulation activities, in order to optimise its characteristics and to know its future performance for physics analyses can be foreseen as well.

The student will present regularly his/her work in the ATLAS collaboration meetings.

Lieu(x) de travail : Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE) Barre 12-22, 1er étage - 4 place Jussieu - 75252 PARIS

Déplacements éventuels : Missions régulières au CERN, Genève Un séjour de courte/moyenne durée au CERN peut être envisagé.Regular missions to CERN, Geneva A short/middle term stay at CERN could be done during the PhD.

Stage proposé avant la thèse : Oui

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