Soutenance de thèse de Ana Elena DUMITRIU

Le travail scientifique présenté dans cette thèse s’appuie sur des collisions proton proton, à 13 TeV dans le centre de masse, produite par le grand collisionneur de Hadron (LHC) et enregistrées entre 2015 et 2017 par le détecteur ATLAS. Après une brève introduction sur le programme de physique du LHC, le premier chapitre donne un aperçu complet du contexte et des motivations théorique, respectivement la théorie du modèle Standard (SM) et au-delà du SM, en mettant l’accent sur la physique du boson de Higgs et du quark top, les particules qui sont étudiées dans les deux analyses décrites en détail dans cette thèse. Ensuite une description complète du détecteur ATLAS et plus généralement de l’ensemble expérimental est donnée en détaillant les différents objets physiques utilisés dans cette recherche. Le troisième chapitre traite d’une des mesures des performances du calorimètre électromagnétique ATLAS, à savoir l’étude des efficacités identification électronique à l’aide de W se désintégrant en électrons et neutrinos. Dans ce chapitre, une étude « W tag and probe (T & P) » faite sur les données 2015-2017 sont présentées avec une description complète de la méthodologie, ainsi que du contexte et des études systématiques. Ensuite les résultats sur l’efficacité et les facteurs d’échelle (SF) sont donnés et comparés aux résultats de la méthode « Z -> ee T&P ». Enfin, un bref aperçu sur l’état de l’analyse W T & P Run 2 et des performances du “trigger” système en 2017-2018, développés au cours de la thèse, est donné. Dans les chapitres suivants, le coeur de cette thèse, la recherche et l’étude de la production associée de boson de Higgs avec une paire de quark top (production ttH), est traitée dans le schéma du modèle Standard et au-delà. L’observation de la production ttH avec le détecteur ATLAS a été récemment annoncée en 2018 et représente une étape importante pour le domaine de la physique des hautes énergies. La nouvelle ère du Run 2 LHC ouvre donc une porte majeure vers des études précises, des améliorations sur les dernières découvertes et en outre la possibilité de rechercher des événements jamais vu auparavant grâce à l’énergie plus élevée disponible et l’amélioration des procédures. Un chapitre est consacré à cette recherche de ttH. Après une brève introduction, la sélection de référence est présentée en détaillant l’analyse de différentes régions, signal et régions de contrôle. L’étude d’optimisation du signal est ensuite décrite, en mettant l’accent sur le canal 4L, suivi de l’estimation de bruit de fond de faux ou “fakes” et du contrôle des systématiques. Enfin, le résultat obtenu pour le canal 4L séparément avec une valeur optimale sur l’intensité du signal de -0,5+1,3 -0,9, est présenté et mis en perspective avec la combinaison complète conduisant à significance observée de 4,2 sigma par rapport à une valeur attendue de de 3,8. Afin d’élargir le spectre de cette analyse tth au-delà du SM, cet état final du canal 4L a aussi été étudié dans le cadre de la recherche de bosons de Higgs doublement chargés se désintégrant en W±W±, H±± → W±W±, canal de désintégration dominant dans le cadre de la phénoménologie des bosons scalaires doublement chargé H±± avec un couplage défavorisée aux leptons et une désintégration de type SM en bosons vecteurs chargés. Cette étude supplémentaire est présentée dans le chapitre suivant, avec d’abord une introduction phénoménologique, puis la sélection de base et des régions sous contrôle, les études d’optimisation des coupures, l’estimation des bruit de fond « fake » et des erreurs systématiques, et finalement les résultats avec en particulier une limite d’exclusion exclusion à 95 % de niveau de confiance pour des bosons H±± avec des masses comprises entre 200 et 220 GeV. En conclusions, les perspectives sur les futurs résultats scientifiques dans le SM ainsi que au-delà de SM (BSM) qui pourraient être atteint en utilisant les statistiques complètes des Run1 et Run2 combinés sont donnés.

The scientific work presented in this thesis is based on proton proton collision produced, at 13 TeV in the center of mass, created by the Large Hadron Collider (LHC) and recorded between 2015 and 2017 by the ATLAS detector. After a short introduction on the physics program at LHC, the first chapter gives a comprehensive overview of the theoretical context and motivation, respectively the theory of the Standard Model (SM) and beyond, with an emphasis on the physics of the Higgs boson and top quark, the particles which are studied in the two analysis detailed in this thesis. Then a complete description of the ATLAS detector and more generally the experimental setup is given with a highlight on the different physics objects used in this research. The third chapter is dealing with a measure of the performances of the ATLAS electromagnetic calorimeter, namely the study of the electron identification efficiencies using W decaying into electrons and neutrinos events. The Run 2 data set taken in 2015 and 2016 provides new experimental challenges, therefore, the performance measurements are critical to be improved and aligned with the upgrades procedures that the detector constantly undertakes. In this chapter, a W Tag and Probe (T&P) study made on 2015-2017 data is presented with a complete description of the methodology, as well as the background and systematic studies. Then the results on the efficiency and Scale Factors (SF) are given and compared to the Z → ee Tag and Probe method. Finally, a brief overview on the Run 2 W T&P analysis status and of the 2017-2018 trigger performances, developed during the thesis, is given. In the following chapters, the core of this thesis work, the search and study of the associated Higgs boson production with top quark pair, so-called ttH production, within the Standard Model schema and beyond is treated. The observation for ttH production with the ATLAS detector recently announced in 2018 represents a significant milestone for the High-Energy Physics field. The new Run 2 LHC era is therefore the main gate towards precise studies, improvement on past discoveries and moreover a chance to look for events never seen before thanks to the higher available energy and upgraded procedures. A chapter is dedicated to this ttH search. After a short introduction, the baseline selection is presented with a highlight on the different analysis regions, signal regions and control regions. The study of the signal optimization is then described, with a focus on the 4L channel, followed by the estimation of the fake background and the control of the systematics. Finally the obtained result for the 4L channel only of a signa intensity of -0.5+1,3 -0,9, is presented and put in perspective with the full combination leading to an observed significance of 4.2 sigma for an expected value of 3.8. In order to broaden the spectrum of this ttH analysis beyond the SM, this 4L channel final states was also studied in the context of the search for doubly charged Higgs boson decaying into W±W±, H±±→W±W±, dominant decay channel in the phenomenology framework of the doubly-charged scalar bosons H±±, in the case of a disfavored coupling to leptons and the decays to SM charged vector bosons. This additional study is presented in the following chapter, with first an introduction of the phenomenology, then a description of the baseline selection and the regions under control, the cut-based optimization studies, the fake background and systematic estimates and finally the results with in particular an exclusion limit at 95% confidence level for H±± bosons of masses between 200 and 220 GeV and the expected future plans. In conclusions, future prospects in Standard Model (SM) as well as Beyond SM (BSM) scientific results that could be reached using the full Run1 and Run2 combined available statistics are given.