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Accueil du site > Thèses, Stages, Formation et Enseignement > Propositions de thèses 2018 > Amélioration du trajectographe de l’expérience ATLAS et étude de son impact sur la recherche du boson de Higgs dans les désintégrations en deux quarks b en vue de la phase à haute luminosité du LHC

Amélioration du trajectographe de l’expérience ATLAS et étude de son impact sur la recherche du boson de Higgs dans les désintégrations en deux quarks b en vue de la phase à haute luminosité du LHC

Equipe thématique « Masses et Intéractions Fondamentale » ; expérience : Atlas

Directeur de thèse : Marco Bomben

tél : 01 44 27 82 40

e-mail : marco.bomben lpnhe.in2p3.fr

Titre : Amélioration du trajectographe de l’expérience ATLAS et étude de son impact sur la recherche du boson de Higgs dans les désintégrations en deux quarks b en vue de la phase à haute luminosité du LHC

L’expérience ATLAS est installée sur le grand collisionneur de protons (LHC) du CERN à Genève. Après une première campagne de prise de données en 2010-2012, la machine a redémarré en 2015 avec des collisions à 13 TeV, avec une luminosité instantanée bien plus importante, ce qui permet d’aborder le cœur du programme de recherche de la Nouvelle Physique au LHC.

L’analyse des données recueillies en 2010-2012 a conduit à la découverte par ATLAS et CMS d’un boson de Higgs de masse 125 GeV. En 2017 la désintégration en paires de quarks b a été mise en évidence par la collaboration ATLAS, une première pour ce qui concerne le couplage du boson de Higgs avec les quarks ; l’équipe ATLAS du LPNHE a joué un rôle clé dans cette découverte majeure.

L’un des ingrédients clés qui a permis d’observer la désintégration du boson de Higgs dans des pairs de quarks b est l’identification efficace dans ATLAS des jets de particules générés par les quarks b (b-jets) ; l’efficacité et pureté d’identification des b-jets dépende des performances du détecteur de traces, qui permet d’identifier avec une excellente précision les vertex secondaires dus aux désintégration des quarks b.

Un programme d’amélioration du système de reconstruction des traces d’ATLAS est en cours, afin de lui conserver sa grande efficacité, même à la luminosité très élevée qui sera atteint par le LHC à la fin de la décennie 2030.

Le déroulement de la thèse prévoit principalement un travail sur l’amélioration du détecteur de traces, en particulier le détecteur à pixel sur lequel le groupe ATLAS du LPNHE travaille depuis plusieurs années, avec un volet d’analyse de données recueillies.

Des phases d’améliorations sont prévues d’ici à 2024 en vue d’une exploitation à haute luminosité visant à accumuler 3000-4000 fb-1 (« phase à haute luminosité »). Le taux de collisions sans précédent place des contraintes sur le détecteur de traces, en termes de tenue aux radiations, ainsi qu’en termes de résolution spatiale afin de préserver la capacité à distinguer les traces proches. Toutefois ces améliorations ont déjà commencé par l’insertion d’une couche interne de capteurs à pixels en silicium au plus près des faisceaux (Insertable B-layer, IBL), installé en 2014. Un travail de qualification avec les données de l’IBL est prévu ; en particulier l’étude de la dégradation des performances des capteurs à pixels avec la luminosité. Cette étude profitera de simulations effectuées à l’aide d’un logiciel TCAD[1]. Ce genre d’activité est préparatoire à l’analyse des canaux qui seront l’objet de la deuxième partie de la thèse.

Les améliorations continueront par le remplacement de tout le détecteur à pixels. Une activité de R&D sur le nouveau détecteur à pixels est donc envisagée, pour la conception de capteurs capables de résister à des flux intégrés supérieurs à 1016 neutrons équivalents par cm2, avec une taille de pixel réduite afin de limiter le taux d’occupation. Le groupe ATLAS du LPNHE s’engage aussi dans la construction d’une partie des modules de détection à pixels pour le nouveau trajectographe. Le travail de thèse inclura une contribution à la caractérisation de ces modules à pixels. Des études pour optimiser les algorithmes de b-tagging afin d’augmenter le rapport signal/bruit-de-fond dans le canal H→bb seront donc nécessaires. Le canal H→bb, dans plusieurs modes de production, est parmi les plus prometteurs pour la phase à haute luminosité ; les performances attendues pour ce canal de physique seront étudiées pour différentes géométries du système qui ont étés proposés.

Le travail de thèse intégrera des mesures de caractérisation des propriétés électriques et physiques des capteurs effectuées en laboratoire (notamment en salle propre) et en faisceau-test et leur comparaison aux résultats de simulations effectuées à l’aide d’un logiciel TCAD. Une contribution au développement des logiciels de reconstruction et d’analyse des données de faisceau test est à prévoir. Cette activité est en collaboration avec le groupe Atlas ITk[2] et RD50[3] . Des missions régulières au CERN sont prévues, pour la prise de données en faisceau test ainsi que pour présenter les résultats de l’analyse à la collaboration.

La deuxième partie consistera en une étude des performances du trajectographe, attendues pendant la phase à haute luminosité. L’impact du dommage de rayonnements sur la qualité de la reconstruction de traces et de vertex sera étudié pour des cas de physique de très grand intérêt lors du HL-LHC, comme le self-coupling du boson de Higgs, dans l’état finale avec deux photons et deux quarks b. Les stratégies de réduction du bruit de fond et d’évaluation in situ de l’efficacité de reconstruction des jets de b seront revues, en mettant l’accent sur la grande quantité de données accumulées. Le travail de compréhension des performances du trajectographe développé dans la première partie de la thèse sera fondamental pour exploiter au maximum les données du HL-LHC afin d’atteindre les objectifs de physique en terme de test du Modèle Standard et de découverte de la Nouvelle Physique dans le secteur Higgs-quarks.

Ce sujet est un des six sujets prioritaires du LPNHE. Il a de bonnes chances d’être financé bien que son financement ne puisse pas être garanti a priori.

[1] Technology Computer Aided Design
[2] Atlas Inner Tracker
[3] RD50

Lieu de travail : LPNHE - Paris

Déplacements éventuels : missions régulières au CERN à Genève

Contact :

Ecole doctorale de rattachement :
Ecole doctorale Sciences de la Terre et de l’Environnement et Physique de l’Univers

Lien sur les offres de thèse et candidature : Lien sur les offres de thèse et candidature : http://ed560.ipgp.fr/index.php/Offres_de_th%C3%A8se

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