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Physique des di-photons dans ATLAS : du Higgs à la nouvelle physique

Equipe et responsable de groupe : Atlas responsable Philippe Schwemling

Directeur de thèse : Sandrine Laplace

Autres co-encadrants : Lydia Roos

tél : 01 44 27 23 28

e-mail : sandrine.laplace lpnhe.in2p3.fr

Titre : Physique des di-photons dans ATLAS : du Higgs à la nouvelle physique

L’expérience ATLAS est installée sur le nouveau grand collisionneur de protons (LHC) du CERN à Genève qui a produit en 2010 les premières collisions à une énergie de 7 TeV avec une luminosité croissante. Il est prévu que la machine atteigne en 2011 une luminosité intégrée de 1fb^{-1}, ce qui permettra d’aborder le cœur du programme de recherche de nouvelle physique au LHC. ATLAS explore un domaine d’énergie encore inconnu afin de comprendre en particulier l’origine de la masse des particules élémentaires. Ceci passera soit par la découverte du boson de Higgs, soit par la remise en cause profonde du Modèle Standard. Par ailleurs, ATLAS cherche à mettre en évidence des signaux de physique au delà du Modèle Standard.

Notre équipe a été impliquée dans la construction du calorimètre électromagnétique d’ATLAS et se concentre plus particulièrement sur l’identification et la mesure des caractéristiques des photons et des électrons. Notre équipe a un rôle majeur dans la recherche du boson de Higgs dans le canal de désintégration H \rightarrow \gamma \gamma qui est l’un des canaux privilégiés pour rechercher un boson de Higgs léger (de masse comprise entre 115 et 150 GeV) au LHC, domaine favorisé par l’ensemble des données électrofaibles.

Malgré le très faible rapport d’embranchement du Higgs en deux photons (quelques ‰ des désintégrations du boson de Higgs), l’état final de paires de photons permet néanmoins de reconstruire avec une grande précision le pic de masse du boson de Higgs au dessus de bruit de fond instrumental (mauvaise identification de jets en photon) et physique (production de deux photons par des processus standards). Il s’agit donc d’une mesure difficile mais absolument déterminante pour rechercher un boson de Higgs léger.

Par ailleurs, les paires de photons présentent d’autres intérêts en dehors de la recherche du boson de Higgs : d’une part, la mesure de leur section efficace de production permet de tester les prédictions de QCD, et d’autre part, les paires de photons peuvent être issues de processus au delà du Modèle Standard, comme des modèles supersymétriques, ou de dimensions supplémentaires, via l’apparition d’événements ou de résonances à haute masse.

Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans la thématique de la recherche du boson de Higgs et porte sur la mesure de la section efficace inclusive de production de paires de photons dans l’expérience ATLAS. Il s’agira tout particulièrement de mesurer les sections efficaces différentielles en fonction de la masse de la paire de photons, de l’impulsion transverse de la paire et de la différence angulaire azimutale des deux photons sur la totalité de l’espace de phase disponible au LHC.

Déroulement de la thèse :

Le plan de travail de la thèse se décompose en deux parties alliant tant compréhension des performances du détecteur que travail d’analyse de données.

La première partie du travail s’inscrit dans une activité historique de notre groupe et consistera à analyser les données collectées en 2011-2013 dans ATLAS pour mettre en évidence un éventuel boson de Higgs standard dans le canal di-photon ou exclure son existence. Ce travail débouchera naturellement vers l’incorporation des résultats obtenus dans une analyse statistique multicanaux que nous développons au laboratoire en collaboration avec plusieurs collègues du CERN et du LAPP (Annecy).

La seconde partie concerne un travail tourné vers le détecteur ATLAS et sa calibration en énergie aux très hautes énergies dont les performances seront déterminantes dans la recherche de résonances de haute masse. En particulier, le travail portera sur l’étude de l’inter-calibration entre les énergies intermédiaires (quelques dizaines de GeV) bien comprises et des énergies plus hautes (jusqu’à plusieurs TeV).

Une partie importante du travail consistera à estimer les fonds (en particulier QCD) sur la base des données du LHC elles-mêmes en tentant d’améliorer les méthodes actuellement étudiées.

L’étudiant participera aux réunions de la collaboration et présentera régulièrement ses travaux au sein des groupes de travail d’ATLAS. L’étudiant aura l’opportunité de participer aux prises de données du plus grand accélérateur jamais mis en activité pour la physique des hautes énergies. Outre la prise de données, la compréhension du fonctionnement des détecteurs et de la reconstruction combinée de ceux-ci sera un point important du début de thèse.

Lieu de travail : LPNHE - Paris

Déplacements éventuels : site du CERN à Genève

Documentation : http://atlas.web.cern.ch/Atlas/Collaboration/

Contact :

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