Αναζήτηση του μποζονίου Higgs του καθιερωμένου προτύπου με τον ανιχνευτή ATLAS στον LHC και η επακόλουθη παρατήρηση ενός νέου σωματιδίου συμβατού με το μποζόνιο Higgs

Abstract

The subject of this thesis is the search for the Standard Model Higgs boson through its decay into four leptons with the ATLAS experiment at CERN. The theory postulating the Higgs boson is presented and the constraints of the theory and direct and indirect searches are quoted. The ATLAS experiment and its components are described and the Detector Control System for the operation and monitoring of the power supplies of the Monitored Drift Tubes is detailed. The electron and muon reconstruction and identification are summarized. Studies on the muon fake rates, on the effect of pileup on the isolation of the muons, and on muon efficiencies of the isolation and impact parameter requirements are presented. The analysis of the Higgs decay to four leptons is detailed with emphasis on the background estimation, the methods employed and the control regions used. The results of the search using the 2011 7 TeV centre-of-mass energy data are presented which have led to hints for the observation of the Higgs boson. The optimization performed for the search of a low mass Higgs boson is described and the effect on the 2011 data are shown. The analysis is performed for the 2012 8 TeV centre-of-mass energy data collected up to July and the results are presented, including the combination with the 2011 data. These latest results have led to the observation of a new particle consistent with the Standard Model Higgs.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αναζήτηση για το μποζόνιο Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου μέσω της διάσπασης του σε τέσσερα λεπτόνια, με το πείραμα ATLAS στο CERN. Παρουσιάζεται η θεωρία που προβλέπει το μποζόνιο Higgs και παρατίθενται οι περιορισμοί της θεωρίας και των άμεσων και έμμεσων αναζητήσεων του μποζονίου. Περιγράφονται το πείραμα ATLAS και τα επιμέρους στοιχεία του καθώς επίσης και το Σύστημα Ελέγχου Ανιχνευτή για τη λειτουργία και την παρακολούθηση του συστήματος τροφοδοσίας τάσης για τους Θαλάμους Ολίσθησης. Η ανακατασκευή και ταυτοποίηση των ηλεκτρονίων και των μιονίων συνοψίζονται. Παρουσιάζονται μελέτες για το ποσοστό των μιονίων που προέρχονται από διασπάσεις άλλων σωματιδίων, για την επίδραση των πολλαπλών αλληλεπιδράσεων σε κάθε σύγκρουση στην απομόνωση των μιονίων, καθώς και για την αποτελεσματικότητα των κριτηρίων επιλογής σχετικά με την απομόνωση και την παράμετρο κρούσης των μιονίων. Η ανάλυση της διάσπασης του Higgs σε τέσσερα λεπτόνια περιγράφεται λεπτομερώς με έμφαση στην εκτίμηση των διαδικασιών υποβάθρου, στις μεθόδους που εφαρμόζονται και στις περιοχές ελέγχου που χρησιμοποιούνται. Τα αποτελέσματα της αναζήτησης με τη χρήση των δεδομένων του 2011 σε ενέργεια κέντρου μάζας 7 TeV παρουσιάζονται τα οποία οδήγησαν σε υποδείξεις για την παρατήρηση του μποζονίου Higgs. Περιγράφεται η αναθεώρηση των κριτηρίων επιλογής για την αναζήτηση μιας χαμηλής μάζας μποζονίου Higgs και παρατίθεται η επίδραση της στα δεδομένα του 2011. Η ανάλυση διεξάγεται για τα δεδομένα του 2012 σε ενέργεια κέντρου μάζας 8 TeV που συλλέχθηκαν μέχρι τον Ιούλιο και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται, συμπεριλαμβανομένου του συνδυασμού με τα δεδομένα του 2011. Τα τελευταία αποτελέσματα έχουν οδηγήσει στην παρατήρηση ενός νέου σωματιδίου συμβατό με το μποζόνιο Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου.

La physique des particules a connu d’´enormes progr`es dans la deuxi`eme moiti´ee du vingti`eme si`ecle avec l’´elaboration de la th´eorie ´electrofaible de Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam et la th´eorie de chromodynamique quantique de David Politzer, Frank Wilczek et David Gross. Une collection de th´eories qui d´ecrivent toutes les interactions connues des particules ´el´ementaires, `a l’exception de la gravit´e, a ´et´e construite et est appel´ee le Mod`ele Standard de la physique des particules. Un grand nombre d’exp´eriences a depuis test´e et confirm´e la plupart des pr´edictions du Mod`ele Standard. Dans ce contexte th´eorique, la masse des particules ´el´ementaires ne pouvait ˆetre simplement ajout´ee dans les th´eories. Pour cette raison, le m´ecanisme de Higgs a ´et´e introduit, ce qui a conduit `a la pr´ediction d’un boson scalaire dont l’interaction avec les particules ´el´ementaires fait apparaˆıtre les composants de la masse. Beaucoup d’ exp´eriences dont la vocation est la recherche du boson de Higgs ont ´et´e r´ealis´ees, `a commencer par le LEP au CERN et par la suite avec le Tevatron au Fermilab etr´ec´ement avec le LHC au CERN. Le LHC est l’acc´el´erateur de particules, le plus grand et le plus puissant, construit `a ce jour . C’est un collisionneur de faisceau proton-proton, mis en fonctionnement le 10 septembre 2008. Quatre d´etecteurs ind´ependants dont deux de tr`es grande taille, sont install´es sur cet acc´el´erateur. Le d´etecteur ATLAS est l’un des deux d' etecteurs `a usage g´en´eral dont l’un des principaux objectifs est de confirmer ou d´ecrit dans le Chapitre 3. Il s’agit des blocs d’alimentation des chambres `a tubes de d´erive du sectrom`etre `a muon utilis´e dans la d´etection des muons. Le logiciel utilis´e est d´ecrit et les outils et les ´el´ements essentiels pour son fonctionnement sont pr´esent´es. Pour la recherche du Higgs se d´esint´egrant en quatre leptons, les objets de base utilis´es sont les ´electrons et les muons. Dans le Chapitre 4, la reconstruction et l’identification de ces objets sont d´ecrites. Dans la deuxi`eme partie de ce chapitre, trois ´etudes de performance des objets muons effectu´ees par l’auteur `a l’aide des donn´ees et des simulation de Monte Carlo, sont pr´esent´ees. Celles-ci consistent enune ´etude sur le taux de faux muons provenant de la d´esint´egration d’autres particules, une ´etude sur l’isolation des muons et une ´etude sur l’impact de la s´election de l’analyse du Higgs sur les muons provenant du boson Z, ces muons sont identiques `a ceux provenant de la d´esint´egration du Higgs consid´er´e dans cette th`ese. Dans le Chapitre 5, l’analyse sur la recherche du boson de Higgs dans son canal de d´esint´egration en deux bosons Z, se d´esint´egrant en quatre leptons, est consid´er´ee. Premi`erement, la topologie du signal et du bruit de fond est d´ecrite ainsi que les donn´ees et la simulation de Monte Carlo utilis´ees. Deuxi`emement, la s´election des´ev´enements dans ce canal est d´etaill´ee. La contribution du bruit de fond `a cet ´etat final a ´et´e ´etudi´ee par l’auteur et les r´esultats utilisant les donn´ees des collisions de 2011 ainsi que les incertitudes syst´ematiques induites et les limites extraites sur la recherche de Higgs, sont pr´esent´es. Dans le Chapitre 6, l’analyse a ´et´e r´evisit´ee avec les donn´ees de 2012 pour optimiser la recherche du boson de Higgs `a basse masse. Les effets des nouvelles coupures sur les processus du bruits de fond ont ´et´e ´etudi´es par l’auteur en utilisant les donn´ees de 2011. L’impact de cette optimisation sur les r´esultats de 2011 et les limites correspondantes sont pr´esent´e. Dans le Chapitre 7, 5.8 fb−1 de donn´ees de 2012 `a √ s = 8 TeV, collect´ees jusqu’aumois de juillet, sont analys´ees et combin´ees avec les donn´ees de 2011 `a √ s = 7 TeV.Les r´esultats de l’estimation du bruit de fond, de la s´election des ´ev´enements et leslimites sur la recherche du boson de Higgs sont pr´esent´es. En plus, les r´esultats de la combinaison de tous les canaux pour la recherche du boson de Higgs avec l’exp´erience ATLAS sont discut´es. Dans le Chapitre 8, les objectifs de cette th`ese sont r´esum´ee et les principauxr´esultats sont soulign´es. L’accent est mis sur les r´esultats ayant permis la d´ecouverted’une nouvelle particule compatible avec un boson de Higgs en ATLAS du Mod`ele Standard avec l’exp´erience ATLAS. d’infirmer exp´erimentalement l’existence du boson de Higgs. Cette th`ese retrace le travail effectu´e par l’auteur au sein de la collaboration ATLAS sur la recherche du boson de Higgs du Mod`ele Standard en utilisant les donn´ees des collisions proton-proton enregistr´ees en 2011-2012. Dans le Chapitre 1, les ´el´ements de base du Mod`ele Standard et le m´ecanisme de Higgs sont d´ecrits . Les limites th´eoriques anisi que les r´esultats des recherches directes et indirectes sur la masse du boson de Higgs sont donn´es. Enfin, les m´ecanismes de production et de d´esint´egration de Higgs au LHC sont d´etaill´es. Dans le Chapitre 2, le LHC est introduit et le d´etecteur ATLAS, dont les donn´ees sont utilis´ees dans cette th`ese, est d´ecrit. Les ´el´ements de base du programme de physique d’ATLAS sont mentionn´ees, incluant la recherche du boson de Higgs qui fait l’objet de cette th`ese. Le dispositif exp´erimental du d´etecteur est d´ecrit, eninsistant sur les ´el´ements de base du d´etecteur. Un d´etecteur si compliqu´e, nec´essite un syst`eme sophistiqu´e pour son contrˆol et sa surveillance. Le travail de l’auteur sur le syst`eme de contrˆol du d´etecteur est