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Recherche de particule de type axion de longue durée de vie au LHC dans l’expérience ATLAS

par Tristan Beau - 27 novembre

Titre : Recherche de particule de type axion de longue durée de vie au LHC dans l’expérience ATLAS

Directrice/directeur de thèse : Bertrand LAFORGE

Groupe d’accueil :ATLAS

Collaboration : ATLAS

Description :

Contexte
La compréhension de la structuration de l’Univers à différentes échelles macroscopiques au moyen de la théorie de la relativité générale formulée par A. Einstein au début du XXème siècle nécessite l’introduction d’une matière noire dont la présence dans l’univers est importante aussi bien pour expliquer notamment la vitesse de rotation des étoiles dans une galaxie, les inhomogénéités de température du fond diffus cosmologique ou la formation des grandes structures de l’Univers depuis le big-bang. Cependant les propriétés d’interaction de cette matière font qu’aucune particule connue dans le spectre du Modèle Standard n’est un bon candidat pour en expliquer la nature microscopique. Il est donc fondamental de trouver expérimentalement une manière de mettre en évidence cette forme de matière aux échelles microscopiques et d’en étudier les propriétés. Cette recherche entreprise depuis plusieurs décennies n’a aujourd’hui fourni aucune nouvelle particules pouvant constituer la matière noire. Plusieurs modèles concurrents proposent des solutions très diverses pour expliquer la nature de la matière noire mais force est de constater que l’échec de la recherche de WIMPS (weakly interacting massive particles) à la fois dans les expériences de détection directes et les recherches d’annihilation mais aussi dans la production de particle de faible durée de vie dans les collisions du LHC impose de chercher cette nouvelle forme de matière tous azimuths et de manière complémentaire entre les différentes approches expérimentales possibles. Dans ce contexte, l’expérience ATLAS exploitant les collisions du Large Hadron Collider du CERN offre des opportunités particulièrement intéressantes pour approfondir cette recherche.

Travail envisagé
Dans cette thèse, nous proposons de rechercher des particules de matière noire de durée de vie assez longue pour qu’elles puissent se désintégrer un peu n’importe où au sein du détecteur ATLAS, notamment au niveau de ses calorimètres. Dans un tel contexte, les algorithmes d’identification des particules actuels ne sont plus optimaux car ils ont été conçus en faisant l’hypothèse que les particules détectés sont produites au moment de la collision des protons du LHC et qu’elles se désintègrent très rapidement (sur quelques nm au mieux) en particules stables du Modèle Standard. Il faut donc définir de nouveaux algorithmes à même d’identifier ces désintégrations exotiques en reconstruisant si possible leur lieu de désintégration afin de permettre une mesure de leur durée de vie qui fournira des informations importantes pour discriminer les modèles prédisant une telle phénoménologie. Un des candidats intéressant à rechercher se trouve être une particule de type axion (ALP) de longue durée de vie pouvant se désintégrer en paire de photons [1, 2, 3]. Les résultats que nous avons récemment obtenus [4] offrent des perspectives très intéressantes pour non seulement sélectionner ce type d’événement mais également pour mesurer la masse d’une telle nouvelle particule quand elle se désintègre en deux photons dans les calorimètres d’ATLAS. Le recours a des algorithmes d’apprentissage avancés (Transformers notamment) sera investigué afin de maximiser la sensibilité de l’analyse à différents modèles d’ALP. L’étudiant sera également impliqué dans l’utilisation de ce type d’algorithme dans l’amélioration de la reconstruction du temps des clusters électromagnétiques et son usage pour lutter contre le bruit de fond d’empilement dû aux grand nombres de collisions produites lors de chaque croisement de faisceaux. Cette recherche exploitera la totalité des données du run 3 du LHC qui délivre une énergie dans le centre de masse de 13,6 TeV.

Le candidat bénéficiera d’un environnement propice à cette recherche en bénéficiant du support d’une équipe reconnue internationalement pour ses contributions à la détection des photons au LHC et d’une expertise profonde du système de calorimétrie de l’expérience ATLAS. L’équipe a une longue expérience de recherche de matière noire au LHC qu’elle a recherché avec les données du Run 2 du LHC comme possiblement couplé au secteur du boson de Higgs (particule dont elle a contribué à la découverte dans le canal en deux photons avec les données du Run 1 du LHC). Ce travail étendra une analyse en cours avec les données du Run2 et les toutes premières données du Run 3 dans un canal où une ALP est recherchée en association avec un boson Z en développant un algorithme de déclenchement sur les paires de photons très collimées détectées dans les calorimètres d’ATLAS et tentera d’exploiter les asymétries des gerbes non résolues ainsi produites pour améliorer la sélection offline et la calibration en masse de ces paires de photons.

Références
[1] M. Carena, T. Han, G-Y Huang, C. Wagener, « Higgs Signal for h→aa at Hadron Colliders »,
Journal of High Energy Physics, Volume 2008, JHEP04 (2008), 092
[2] M. Bauer, M. Neubert & A. Thamm, « LHC as an Axion Factory : Probing an Axion Explanation for (g−2)μ with Exotic Higgs Decays », Phys. Rev. Lett. 119, 031802 (2017)
[3] M. Bauer, M. Heiles, M Neubert & A. Thamm, « Axion-like particles at future colliders », Eur. Phys. J. C (2019) 79-74
[4] A. Cordeiro Oudot Choi, Thèse de doctorat, Sorbonne Université, soutenue le 30 sept. 2024

Lieu(x) de travail : LPNHE avec séjours au CERN

Déplacements éventuels : Possibles échanges avec le Brésil dans le cadre du projet COFECUB dans lequel s’effectuera cette thèse.

Stage proposé avant la thèse : Oui

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