Search for new physics in events with same sign leptons and missing energy with ATLAS at LHC
Recherche de nouvelle physique dans les canaux avec deux leptons de même charge et de l'énergie transverse manquante dans les données du détecteur ATLAS auprès du LHC
Résumé
The Standard Model of particle physics describes the phenomena in the infinitesimal with great success. However, it suffers from several inadequacies : it can not explain the neutrino masses, it has no candidate for the dark matter and it has no solution for the gauge hierarchy problem, which all require new physics and beyond the Standard Model theories. Such a theory is Supersymmetry (SUSY) and occupies a primer place in the LHC physics program. Here two proton beams are colliding at energies up to 14 TeV and gigantic detectors were built to reconstruct the collision events. For the presented studies only the data recorded with the ATLAS detector is analyzed. More details on the theoretical framework, the LHC collider and the ATLAS experiment are given in the first part of this thesis.
At hadron colliders, the lepton identification and reconstruction are crucial for precise SM cross sections and coupling measurements or for new physics searches. Therefore, the second part of my thesis is dedicated to performance studies : in-situ measurements of electron identification and reconstruction efficiencies. Both the methodology employed to obtain the results and the methods applied to estimate the background are detailed. The search for new physics is presented in the third part of the thesis. For these studies the channel with two same-sign leptons and missing transverse energy is considered. The results are obtained with $L$ = 20 fb$^{-1}$ of data recorded at $\sqrt s$ = 8 TeV and with the very first data at $\sqrt s$ = 13 TeV. At the end of Run-1 no significant excess in data over the Standard Model prediction is observed and stringent limits on the supersymmetric particle masses are set. With this analysis, the gluino mass is constrained to be above 1 TeV and the sbottom mass should be above 600\GeV when using simplified assumptions. These results provide new and very strong constraints on natural SUSY models.
With the two same-sign leptons and jets final state it is also possible to measure directly the top quark Yukawa coupling using the \ttbar\ + $H$ channel. This coupling is the largest in the Standard Model and it connects two of the heaviest particles predicted by the Standard Model, the top quark and the Higgs boson. At $\sqrt s$ = 8 TeV the results are dominated by the systematic uncertainties and only upper limits can be obtained. In the fourth part of this thesis, a complete optimization is performed to reach the highest sensitivity for this signal in the two same-sign leptons channel at $\sqrt s$ = 13 TeV with 100 fb$^{-1}$ of data, corresponding to the end of Run-2. This prospect study is based on a simplified but realistic framework for systematics and the 8\TeV Monte Carlo samples are PDF re-weighted. Two signal regions are proposed and a precision of 60$\%$ on the signal strength is reached. When combined with other measurements performed in \ttbar\ + $H$ ($\rightarrow \gamma\gamma$) and \ttbar\ + $H$ ($\rightarrow b\bar b$) channels the top Yukawa coupling can be measured with a precision below 30$\%$.
Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les phénomènes observés à l'échelle subatomique avec une grande précision. Cependant, certaines questions demeurent ouvertes : la masse non nulle des neutrinos est inexpliquée, de même que l'existence de la matière noire; de plus, hypothétiser la validité du modèle jusqu'à l'échelle de Planck entraîne un important problème de hiérarchie de jauge. Un nouveau modèle étendant le domaine de validité du Modèle Standard est ainsi nécessaire.
Parmi différentes théories proposées à ces fins, la Supersymétrie (SUSY) occupe une place importante dans le programme de recherche de nouvelle physique du LHC.
Cet accélérateur génère des collisions de faisceaux de protons à des énergies atteignant 14 TeV, qui sont analysées par de volumineux détecteurs. Dans les études présentées ici, seules les données collectées par le détecteur ATLAS sont analysées. La première partie du document décrit en détails le contexte théorique sous-jacent à ces études, ainsi que le colllisioneur LHC et l'expérience ATLAS.
Le LHC étant un collisionneur hadronique, l'identification et la reconstruction des leptons est cruciale pour les mesures précises de section efficaces des processus du Modèle Standard, ou la recherche de nouvelle physique. C'est pourquoi la deuxième partie du document est dédiée aux mesures de performances : mesures in situ des efficacités de reconstruction et d'identification des électrons. La méthodologie employée pour obtenir ces résultats, et les méthodes d'estimation du bruit de fond associé sont détaillées. La recherche de nouvelle physique est présentée dans la troisième partie du document. Cette étude a été réalisée dans le canal incluant deux leptons de même charge et de l'énergie transverse manquante. Les résultats inclus ont été obtenus avec un ensemble de données collectées à $\sqrt s$ = 8 TeV
correspondant à une luminosité intégrée de $L$ = 20 fb$^{-1}$, ainsi que les premières données collectées avec $\sqrt s$ = 13 TeV. Après la première phase d'opération du LHC, aucun excès significant n'a été observé dans les données par rapport au préditions du Modèle Standard, et de fortes contraintes ont été placées sur les masses des partenaires supersymétriques. Cette étude en particulier contraint les masses du gluino et du squark bottom à des valeurs supérieures à respectivement 1 TeV et 600 GeV, sous certaines hypothèses. Ces résultats représentent des contraintes nouvelles et importantes sur les modèles SUSY naturels.
L'état final constitué d'une paire de leptons de même charge et de jets permet également la mesure directe du couplage de Yukawa pour le quark top, à l'aide du processus $pp\to t\bar tH$. Ce couplage est le plus élevé dans le Modèle Standard et associe les deux particules élémentaires les plus lourdes prédites par la théorie, le quark top et le boson de Higgs. A l'énergie de $\sqrt s$ = 8 TeV les mesures sont dominées par les incertitudes systématiques et seules une limite supérieurs peut être placée sur le couplage. Dans la quatrième partie de ce document, une étude complète de la sensibilité pouvant être atteinte avec une énergie de $\sqrt s$ = 13 TeV et une luminosité intégrée de 100 fb$^{-1}$ of data, correspondant à la deuxième phase d'exploitation du LHC, est présentée pour le canal incluant deux leptons de même charge. Cette étude prospective est basée sur un modèle simple mais approché des incertitudes systématiques affectant la mesure. Deux régions de signal sont proposées et une précision de $60\%$ sur la magnitude du signal mesuré est atteinte. En combinaison avec d'autres mesures réalisées dans les canaux \ttbar\ + $H$ ($\rightarrow \gamma\gamma$) et \ttbar\ + $H$ ($\rightarrow b\bar b$), le couplage de Yukawa du quark top pourrait être"" mesuré avec une précision de l'ordre de $30\%$.