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M2 internship/PHD subject (description only in French sorry)

Context

The first LHC run allowed to test the Standard Model of particle physics at an unprecedented high energy level, never reached in a particle collider. Many results were published using these LHC data among which the discovery of a Higgs boson that completes the particle content of the Standard Model. However, theoretical and experimental arguments show that this model still has limitations and needs to be extended, modified or replaced in order to give answers to the hierarchy problem, to describe the dark matter or to include the gravity in a coherent frame with the other interactions...

Theoreticians proposed several ideas to build theories beyond the standard model in order to solve some of these problems. Many of them like supersymetry, technicolor, or models with extradimensions lead to the prediction of massive particles that can be searched for in LHC data.

Signature

These new massive particles could give different signatures in the ATLAS detector. We choose to look for massive particle decaying into a top quark pair (semi-leptonic channel). Indeed the top quark, because of its properties like its high mass close to the electroweak breaking scale, plays an important role in numerous new physics models from Technicolor to extra-dimension theories. Moreover its signature at the LHC is sufficiently clear to maintain Standard Model background at a reasonable level.

Analysis

The originality of the analysis lies in the identification of the top pair final state and the reconstruction of the top pair mass. Indeed LHC collisions produce highly boosted top pairs from Standard Model processes or from new high mass particles decays. This leads to a new topology where top decay products (leptons and quarks) are quite collimated and reconstructed in one single object. New tools have thus to be developed to disentangle the different decay products and allow the identification, reconstruction and calibration of such boosted particles.

Once boosted top quark pairs are identified and their invariant mass reconstructed, the mass spectra from LHC data is compared to the one predicted by the standard model. If data and simulation are in agreement, limits can be set on the mass and the production cross-section of massive particles predicted by new models. An excess of top quark pairs with respect to the standard model would inversely sign the presence of new physics.

LPSC group contribution (need English translation)

Reconstruction des top boostés

Le groupe du LPSC est particulièrement impliqué dans la reconstruction des quarks top en régime boosté. Lorsque un quark top boosté se désintègre dans la voie hadronique, il est reconstruit dans un jet large. Ce jet est identifié comme provenant d'un quark top grâce à l'étude de sa sous-structure. L'étude de la sous-structure des jets est la spécialité de Pierre-Antoine Delsart qui est responsable du groupe de travail correspondant dans ATLAS. L'utilisation des variables de sous-structure des jets a fait l'objet d'une partie de la thèse de Benjamin Déchenaux. Lorsque le quark top boosté se désintègre de façon leptonique alors le lepton issu du boson W est proche du quark b voir à l'intérieur du jet de B. Clément Camincher, actuellement en thèse, travaille sur l'isolation de ces leptons et développe une méthode nouvelle pour reconstruire les électrons lorsqu'ils sont à l'intérieur d'un jet.

Interprétation dans des modèles de matière noire

Le deuxième axe de travail concerne l'interprétation des résultats de l'analyse dans le cadre de modèles de matière noire. Les modèles de matière noire utilisés au run 1 du LHC étaient principalement des modèles effectifs. Les états finaux recherchés étaient alors des mono-objets (mono-photon - qui est une autre thématiques du groupe du LPSC -, mono-jet, monoZ, ...), considérant que la collision de partons produit deux particules de matière noire indétectable et que seul une particule issue de la radiation d'un parton initial est détecté. Pour élargir ce type de recherche, des modèles plus complets sont pris en compte. Ils font intervenir une particule médiateur entre les deux partons qui collisionnent et la production des particules de matière noire. Les analyses mono-objet restent intéressantes dans ce cas mais elle peuvent être complétée par les analyses qui sont sensibles aux autres désintégrations du médiateur (en leptons ou quarks). Le médiateur peut se désintégrer en deux quarks top et notre analyse peut donc apporter des contraintes à ce type de modèle.

Preliminary results for the 13 TeV 2015 data

LHC run 2 started in 2015 and these first data were analyzed promptly. This analysis result using only the boosted channel and obtained using 3,2 fb-1 of data was published for 2016 Moriond conference. The invariant mass distribution of the two top quarks agrees with the one obtained with the standard model. A limit is thus deduced for a leptophobic topcolor Z' boson: such a Z' boson producing a small width resonance (width of 1,2% of its mass) is excluded at 95% level if its mass is in the interval 0.7 to 2 TeV.

masseinvttbar el 13TeVMorion2016 masseinvttbar mu 13TeVMorion2016

 

limZp 13TeVMoriond2016

Results of the 8 TeV data analysis

LHC run 1 data are in agreement with standard model... Limits were set on 2 theoretical models that produce either a leptophobic Z' or a Kaluza-Klein gluon. See below :

masseinvttbar 8TeV

limZp 8TeV

limGKK 8TeV

 

Documents

Members

Members

  • Clément Camincher (PHD)
  • Sabine Crépé-Renaudin (in charge of LPSC analysis)
  • Pierre-Antoine Delsart (jet substructure expert)

Previous analysis group members

  • Benjamin Decheneaux (2010-2013) : PHD