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Étalonnage des jets, mesures de sections efficaces et extraction d’alpha_S dans ATLAS et au Futur Collisionneur Circulaire au CERN (FCC-ee)
par Tristan Beau - 7 novembre
Titre : Étalonnage des jets, mesures de sections efficaces et extraction d’alpha_S dans ATLAS et au Futur Collisionneur Circulaire au CERN (FCC-ee) / Jet calibration, cross-section measurements and alpha_S extraction at ATLAS and at the Future Circular Collider at CERN (FCC-ee)
Directrice/directeur de thèse : Bogdan Malaescu
Groupe d’accueil : ATLAS et FCC
Collaboration : ATLAS et FCC
Description :
L’évaluation de la constante de couplage fort alpha_S et les tests de son évolution en fonction de l’échelle d’énergie, prédite par les équations du groupe de normalisation dans QCD (RGE), peuvent être effectués à l’aide de mesures de la sous-structure de jets et de leurs sections efficaces de production. Nous proposons d’effectuer ces études à l’aide des données accumulées par ATLAS lors du Run-3 du LHC.
Avec l’accroissement de luminosité accumulée, qui permet de réduire les incertitudes statistiques, même dans le cas de mesures de section-efficaces multidimensionnelles, il devient de plus en plus crucial de réduire également les incertitudes systématiques le plus possible. Cela sera obtenu en effectuant un étalonnage absolu des jets et in-situ, avec les effets de physique et de détecteur clairement factorisés. Une telle méthode permettra de moins s’appuyer sur l’utilisation des simulations Monte Carlo (MC) que dans la méthode actuelle d’étalonnage relatif des jets in-situ, qui repose sur une comparaison précise des données et des simulations. En fait, alors que la méthode d’étalonnage relatif utilise le MC pour décrire à la fois les effets de détecteur et de physique dans différentes topologies, l’étalonnage absolu utilisera le MC pour décrire les effets de physique, tandis que la réponse du détecteur sera obtenue directement à partir des données. La précision de la détermination de la résolution en énergie des jets sera améliorée employant un système sur-contraint de mesures in-situ.
Les méthodes d’extraction d’alpha_S et les tests de son évolution RGE seront également étendus aux études de conception en cours pour le FCC-ee, et leurs implications sur le design des détecteurs seront analysées. A cet effet, nous utiliserons les événements avec un photon énergique émis dans l’état initial (Initial State Radiation ISR) et plusieurs jets dans l’état final. Les rapports de sections efficaces entre différentes multiplicités de jets dans l’état final, ainsi que l’utilisation de l’information de la sous-structure de jets, permettront de réduire l’impact des erreurs systématiques. L’utilisation de la méthode ISR est très prometteuse au FCC-ee, grâce à la très haute luminosité fournie. Cela permettra une meilleure compréhension des incertitudes systématiques, en effectuant des mesures sur une large gamme d’énergie des particules finales, tout en conservant les mêmes conditions pour le collisionneur et les détecteurs. L’optimisation du design du détecteur pour réaliser ces mesures sera également étudiée.
Dans ATLAS, comme au FCC-ee, les études proposées permettront des mesures de haute précision afin d’effectuer des tests très précis de QCD, ainsi que de sonder des signaux éventuels de nouvelle physique aux échelles de masse les plus élevées. La possibilité d’employer des algorithmes basés sur l’Intelligence Artificielle sera étudiée dans le contexte des études de qualité de données, de la calibration en énergie de jets et la déconvolution des effets de détecteur pour des mesures expérimentales multidimensionnelles.
The evaluation of the strong coupling constant alpha_S and the test of its running as a function of the energy scale, as predicted by the renormalisation group equation in QCD (RGE), can be done using measurements of the jet substructure and production cross section. We propose to perform such studies using data accumulated by ATLAS during the Run 3 of the LHC.
With the increase in the accumulated luminosity, allowing for small statistical uncertainties even in the case of multi-dimensional cross-section measurements, it becomes more and more important to also reduce the systematic uncertainties as much as possible. This will be achieved by performing an absolute jet in-situ calibration, where physics and detector effects are well factorised. Such method will allow to rely less on the use of Monte Carlo simulation (MC), compared to the current relative jet in-situ calibration that uses extensive comparisons between data and MC. Indeed, while the current relative in-situ calibration method applied to the jets in data uses MC for describing both detector and physics effects in various event topologies, the absolute calibration method will use MC for describing the physics effects while the determination of the detector response will be fully data-driven. Furthermore, the precision of the determination of the jet energy resolution will be improved by employing an over-constrained system of in-situ inputs.
Methods for extracting alpha_S and testing its RGE will also be studied in the context of the design studies for the FCC-ee collider and the corresponding detectors. For this purpose, event topologies with a hard photon emitted from the initial state particles (ISR) and several jets in the final state will be considered. Ratios of cross-sections with different jet multiplicities in the final state, as well as employing the information of the jet substructure, will allow to reduce the impact of systematic uncertainties. The use of the ISR method will be facilitated by the high luminosity foreseen at the FCC-ee. This will allow for a good understanding of the systematic uncertainties, when performing measurements on a broad range of the energy of the final state particles, with the same detector and collider conditions. Studies to optimise the detector design in view of such measurements will be performed.
Both in ATLAS and at FCC-ee, these very high precision studies will allow to perform stringent tests of QCD, and to probe potential signals of new physics at the highest scales accessible in laboratory. The possibility of employing AI-based algorithms will be studied in the context of the data quality assessment, jet energy calibration and unfolding of detector effects for multidimensional measurements.
Lieu(x) de travail : LPNHE, Paris
Déplacements éventuels : CERN
Stage proposé avant la thèse : Oui
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