Search for Dark Matter with Long Lived Particles at the LHC

Selected within the context of the ANR "Appel à projets générique 2021, Projet de Recherche Collaborative"

 

Summary

Long-lived particles are predicted in many dark matter models, including two emerging categories which are the focus of this project: axion-like particles (ALPs) and dark hadrons. These currently have limited coverage at colliders: there is hence an opportunity to gain access to completely new regions of the new physics parameter space. For the ALP, we will focus on its decay into a photon pair either promptly or inside the calorimeters. For the dark hadrons, the peculiar characteristics of their jets will be exploited: different number of tracks, jet substructure, development of the shower in the calorimeters that could come from the late decay of long-lived dark sector hadrons,... These searches will not only be developed within ATLAS, but theoretical aspects allowing to link phenomenology to underlying theory parameters will be addressed.

These searches use photons and jets, which both interact with matter as a particle shower governed by stochastic processes, even if with different underlying physics. Advanced neural network techniques will be developed to use the shower constituent information to improve on the performances; to improve training the uncertainties on input variables will also be considered. By building such tools based on low-level information (from the photon and jet constituents) rather than high-level information (from the photons and jets directly), we aim to improve significantly the precision of the measurement of energy, direction and mass with respect to existing techniques. For the same reasons, such tools will allow for better identification of signal photons and jets and better background rejection.

A final aim of this project will be to make it possible to reinterpret the results of the searches described above in terms of as many other models as possible. Setting up a collaboration between theorists and experimentalists from the beginning of the inception of the analyses will allow for the most general possible interpretation of the results. This includes an optimal choice of benchmarks, and will at the same time allow for gathering all of the necessary information to reinterpret the results. To achieve this, we will develop an appropriate software framework in the initial stages of the proposal, and test it by recasting existing ATLAS long-lived particle analyses.

 

Partners

LPSC Grenoble: Marie-Hélène GENEST, Guillaume ALBOUY, Pierre-Antoine DELSART, Jean-Baptiste DE VIVIE DE REGIE, Nathan LALLOUÉ, Ana Paula PEREIRA PEIXOTO

LPNHE Paris: Bertrand LAFORGE, Bogdan MALAESCU, José OCARIZ, Lydia ROOS

LPTHE Paris: Benjamin FUKS, Mark GOODSELL, Filippo SALA

Scientific leader of each lab, Project coordinator

 

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Meetings

[to be confirmed] April 12-13th 2022 Kick-off meeting in Paris.

Scientific production

To come

Openings

To come

 

1. introduction


L’expérience ATLAS est l’une des quatre principales expériences de physique des particules auprès du grand collisionneur de protons et d’ions du CERN : le LHC. Situé à la frontière franco-suisse, le LHC a été conçu pour produire des collisions entre protons à une énergie dans le centre de masse jamais atteinte de 14 TeV. La première prise de données s’est déroulée à une énergie de 7-8 TeV et s’est étendue de 2009 à 2012, aboutissant à la découverte du boson de Higgs. Après cette découverte majeure, la deuxième période de prise de données entre 2015 et 2018 ("Run 2") à une énergie de collision de 13 TeV a permis de mesurer avec une très grande précision les caractéristiques de ce boson. Conjointement à cela, les mesures d’autres caractéristiques du « Modèle Standard » de la physique des particules ont égalé ou amélioré la précision obtenue avec les collisionneurs précédents. Dans le même temps, de très nombreuses recherches de nouvelle physique ont été menées. L'absence de preuve probante à ce jour a permis d'invalider de nombreuses extensions du Modèle Standard, mettant ainsi au défi la communauté des théoriciens pour résoudre les limitations connues du Modèle Standard (origine de la matière sombre, asymétrie matière-antimatière, justification de la faible masse du boson de Higgs...). Cette capacité à réaliser des mesures de grande précision couplée avec le potentiel incomparable de découverte de nouvelle physique fait du LHC l’instrument incontournable de la recherche en physique des particules pour les vingt ans à venir : ainsi, à partir de 2021, la prise de données reprendra à l'énergie nominale de 14 TeV ; puis à partir de 2026, de nouvelles évolutions du collisionneur devraient permettre de décupler le nombre de collisions (projet "HL-LHC" pour High Luminosity LHC).

Le LPSC appartient depuis 1991 à la collaboration ATLAS, aujourd’hui forte de plusieurs milliers de physiciens venant d’une quarantaine de pays. Le groupe s’est historiquement consacré à la calorimétrie à argon liquide, contribuant depuis la conception et la construction du détecteur jusqu’à la certification de la qualité des données. Cette contribution s’est achevée en 2018, alors que le groupe s’implique de manière croissante depuis 2014 dans la trajectométrie à pixels de silicium. Cette activité prend notamment la forme d’un engagement conséquent dans la conception et la construction du futur détecteur de pixels qui sera installé en 2024.

Les activités du groupe du LPSC se poursuivent également dans le développement d’applications dédiées à la gestion des logiciels et des données d’ATLAS, et dans la gestion de la grille de calcul tant au niveau local (Tier-2) qu’au niveau national (LCG-France) ou au sein de l’expérience ATLAS. Le groupe est également fortement impliqué dans le logiciel de reconstruction des objets (jets hadroniques et photons).
Enfin, le groupe du LPSC s’investit dans les analyses de physique proprement dites. Trois axes de recherche sont ainsi menés :
‐ La physique du quark top au sens large, autour d'un programme alliant des mesures de précision (production célibataire de quark top) et des recherches de nouvelle physique dans des états finals comprenant des quarks top.
‐ L’étude du secteur de Higgs avec la mise en évidence de la production associée avec des quarks top et des études prospectives de production de paires de bosons de Higgs.
‐ La recherche directe de nouvelle physique (graviton de Kaluza Klein, supersymétrie...) avec des photons dans l’état final.
‐ Au-delà des différentes analyses détaillées plus loin, il convient de souligner qu’un membre du groupe a pris en charge la coordination au niveau de la collaboration ATLAS pour les recherches directes de nouvelle physique - hors supersymétrie. Cela représente la coordination d'environ 60 analyses réalisées par 550 personnes.

 

2. Activités instrumentales

2.1 Calorimétrie à argon liquide

Après une contribution significative dans la construction du calorimètre à argon liquide, le groupe s'est impliqué depuis 2009 dans la validation de la qualité des données calorimétriques, avec notamment la responsabilité de sa coordination. Cette implication s'est achevée en 2018 avec la meilleure efficacité de validation jamais atteinte : ainsi 99.74% des données enregistrées par ATLAS ont été considérées comme de qualité optimale pour être analysées (voir Figure 1).

 ATLAS FIG1

 Fig. 1 : sources de rejet des données de la calorimétrie à argon liquide au cours du Run2

 

2.2 Trajectomètrie interne

L'équipe ATLAS du LPSC est engagée dans le projet ITk (Inner Tracker) depuis 2015. Il s’agit de remplacer entièrement le trajectographe actuel, qui ne pourra pas soutenir l’accroissement des doses de rayonnement, par un nouveau détecteur entièrement constitué de capteurs en silicium. Celui-ci devra être installé et testé à temps pour le démarrage du HL-LHC, prévu en 2026.

En 2015 s'est mis en place l'engagement du groupe dans la partie la plus interne de l’ITk, c’est à dire dans le détecteur à pixels, dans les études de faisabilité et de performance d’une géométrie avec capteurs inclinés. Ce concept a finalement été retenu par la collaboration ATLAS en vertu de l’amélioration de la performance de reconstruction des traces qu’il permet. L'équipe du LPSC, en collaboration avec le LAPP via le Labex Enigmass, a été un acteur majeur du développement de la simulation du détecteur à pixels dans le logiciel Geant4. Cette simulation détaillée a été utilisée pour déterminer les performances de reconstruction des traces qui figurent dans le Technical Design Report du sous-détecteur. Une activité de simulation, conduite au laboratoire, a permis de valider le choix des matériaux utilisés pour la construction du détecteur dans la simulation des interactions particules-matière. L'option de la géométrie inclinée des supports des senseurs a également été validée par les résultats obtenus en tests thermiques avec les prototypes fabriqués au LPSC et testés au LAPP.

Après le choix de la géométrie, la priorité de la communauté s’est portée sur le développement d’un démonstrateur destiné à tester la procédure et la mise en œuvre des solutions techniques permettant de construire la structure du détecteur. Dans ce cadre, en collaboration avec le CPPM et le LAPP, l’équipe du LPSC se concentre sur la partie intégration des cellules, ou « loading ». Avant d’être vissée sur le support, une cellule de senseurs devra être construite en collant la partie appelée module sur un support permettant d’assurer la connexion thermique avec les tubes de refroidissement. Chaque cellule carrée d’environ 5 cm de côté sera composée de 4 modules. Le choix de la colle est capital puisqu’elle doit à la fois être un excellent conducteur thermique et résister aux radiations. Le LPSC étudie la méthode d’application, qui doit permettre un dépôt uniforme de 75 m d’épaisseur de colle sur toute la surface concernée.

Ces opérations devront être reproduites plusieurs milliers de fois et aboutir à un placement des détecteurs extrêmement précis. La procédure doit donc être conçue et testée à l’aide d’une machine de mesures tridimensionnelles d’une précision de quelques microns. Le groupe s’est doté d’une telle machine, qui a été installée en 2018 dans une salle blanche construite pour l’accueillir, et qui permettra de manipuler les composants électroniques. L’ambition est de qualifier le laboratoire comme site officiel de chargement et montage des détecteurs à pixels ITk en 2020, pour une période de construction et d’assemblage se déroulant de 2021 à 2024.

ATLAS FIG2

Fig. 2. Mise en place et maniement de la machine de métrologie MMT destinée au projet ATLAS-ITk

En parallèle, le service mécanique du LPSC a pris la responsabilité de la conception et de la fabrication des brides qui permettront d’assembler les supports du détecteur en trois couches cylindriques concentriques. Ces brides doivent assurer la stabilité mécanique de l’ensemble, tout en introduisant le moins de matériel possible et permettre l'acheminement des services (câblage, etc..). La conception de ces brides nécessite également une attention particulière pour ne pas compromettre la stratégie de blindage électrique et de mise à la terre de la structure porteuse du détecteur interne. Le dessin des brides est validé par des calculs en éléments finis qui permettent de vérifier les déformations (thermiques, mécaniques) et de rechercher les modes de résonance. Il doit également être optimisé en vue de l’intégration. Les possibilités de fabrication et de construction sont testées à l’aide de prototypes. Les matériaux composites envisagés sont mis en forme au moyen de moules, qui nécessitent des développements spécifiques.

3. Activités logicielles et reconstruction

3.1 Traitement des données

AMI, un environnement logiciel pour les méta-données

Depuis plusieurs années une équipe de trois ingénieurs du service informatique du LPSC développe un environnement logiciel de base de données sur lequel se basent des applications essentielles pour l'ensemble de la collaboration ATLAS.

ATLAS Metadata Interface (AMI) désigne ces applications ainsi que cet environnement dédié à la gestion des méta-données de la totalité des volumes de données. Il inclut les interactions avec les systèmes de bases de données (Oracle, Postgresql, etc.) jusqu'aux interfaces internet pour les utilisateurs ou l'automatisation de la collecte des meta-données. AMI est utilisé par la collaboration pour collecter et maintenir accessible l'ensemble des méta-données des événements réels et simulés enregistrés par l'expérience ATLAS, mais aussi pour gérer les paramètres de configuration de l'ensemble des systèmes logiciels de la collaboration.
Outre la maintenance des logiciels et de l’intégrité des données, l'équipe a effectué d'importants travaux de développements. Ceux-ci concernent la nécessaire rénovation du cœur logiciel afin d'obtenir un système plus robuste, flexible et facile à maintenir, un nouveau système d'application web pour interagir avec le cœur et le développement d'un service de « dataset whiteboard » permettant à n'importe quel utilisateur d'annoter n'importe quel dataset.

Traitement distribué des données

Avec plus de 400~Po de données enregistrées sur disque ou sur bande et une capacité de calcul permettant de traiter entre 300 000 tâches en continu et en parallèle, la grille de calcul a permis de stocker, reconstruire et analyser les données du Run 2 du LHC.
Le LPSC participe à cet effort d’une part en mettant à disposition son site de grille WLCG de niveau Tier 2 (voir la partie "Plateformes technologiques"). Partagé principalement avec l’expérience ALICE, cet équipement est sous la responsabilité du groupe ATLAS.
D’autre part, le groupe est investi dans la gestion et la coordination des activités de traitement distribué des données tant au niveau français qu’au niveau de la collaboration ATLAS. Il s’est particulièrement impliqué dans le suivi quotidien des activités de traitement des données de l’expérience en lien avec les différentes équipes d’experts (« Computing Run Coordination »).


3.2 Activités de reconstruction des objets

Reconstruction des jets hadroniques

Les jets hadroniques sont abondamment produits dans les collisions de protons. Ils sont souvent présents dans l'état final d'un processus étudié et quand ils ne le sont pas, contribuent souvent de façon importante aux bruits de fond. Leur reconstruction et identification expérimentale sont donc primordiales et le groupe du LPSC est fortement impliqué sur ces sujets.
L'équipe maintient une activité dans le support et la maintenance des logiciels de reconstruction et d'analyse liés aux jets hadroniques. Elle contribue à l'important sujet des jets dans les régimes de hautes impulsions, avec notamment la codirection du sous-groupe dédié à l'étude de ces jets particuliers (reconstruits différemment des jets usuels) : étalonnage dans la simulation et les données, identification des particules massives (W, Z, quark top) se désintégrant hadroniquement. Finalement une activité portant sur une étape de l'étalonnage de l'énergie et de la masse des jets est aussi en cours. L'équipe contribue à l'écriture des logiciels dédiés à ces tâches et développe des solutions au problème numérique non-trivial lié à la correction de la réponse en énergie et masse. Le résultat de ces travaux a été adopté par la collaboration comme la méthode d'étalonnage officielle.

Reconstruction et identification des photons

Le bruit des canaux électroniques dans le calorimètre peut s'apparenter à un signal dû à des photons, qu’il convient d’éliminer dans les analyses. Le LPSC est responsable d'une procédure de nettoyage de ces faux photons.
Les photons sont identifiés et distingués des jets hadroniques à partir des formes de gerbes électromagnétiques reconstruites grâce à la fine segmentation du calorimètre. L'efficacité d'identification des photons est mesurée avec trois méthodes différente sur les données : à basse et moyenne énergie pour les mesures de précision, à haute énergie pour la recherche de nouvelle physique. Le LPSC est responsable de la combinaison de ces méthodes, dont les résultats sont illustrés sur la Figure 3, qui montre l'accord entre données mesurées et les simulations.

ATLAS FIG3

Fig. 3 : rapport entre les efficacités d'identification des photons mesurées et prédites par la simulation, en fonction de l'énergie transverse

 

4. Activités d'analyse

4.1 Physique avec le quark top

Recherche de production résonante de nouvelles particules se désintégrant en paires de top

Le quark top est la particule du modèle standard la plus massive. Avec une masse de l’ordre de l’échelle de la brisure de la symétrie électro-faible et son fort impact sur les corrections à la masse du boson de Higgs, le quark top a une place particulière dans de nombreux modèles de physique au-delà du Modèle Standard. Il est donc une sonde privilégiée dans la recherche de nouveaux phénomènes.

L'équipe a participé à la recherche d’une particule se désintégrant de façon résonante en une paire de quarks top. Aucune différence statistiquement significative n’a été mise en évidence dans les lots de données de 2015 et 2016 par rapport aux prédictions du Modèle Standard. Ces résultats ont ainsi été interprétés en terme de limite sur la masse de particules issues de différents types de modèles au-delà du Modèle Standard : technicouleur assistée par top-couleur, boson Z’, excitation de Kaluza-Klein de gluon ou de graviton.

Par ailleurs le groupe a réinterprété ces résultats dans le cadre de la recherche de matière noire. Si la matière noire, qui constitue 85% de la matière de l’univers, est formée de particules pouvant être produites au LHC, alors il est attendu que sa production mette en jeu une nouvelle particule qui se couple aux quarks ou aux gluons. Les contraintes obtenues sont complémentaires de celles des recherches de matière noire, via la recherche d'événements caractérisés par la présence significative d'énergie manquante (voir section 1.1.5.2), ainsi que des recherches directes de détection de matière (hors collisionneurs).

Recherche de production de paires de quarks top de même charge

Dans les collisionneurs hadroniques, les quarks top sont principalement produits, via l’interaction forte, sous forme de paires ayant des charges de signes opposés. Dans le cadre du Modèle Standard, la production de paires de quarks top de même charge est négligeable. Cependant, de nombreux modèles théoriques au-delà du Modèle Standard en prévoient une production non négligeable aux énergies fournies par le LHC. En particulier, cette production non-standard est possible dans le cadre de la supersymétrie. La recherche d’une telle production a fait l’objet d’une thèse de doctorat menée en collaboration avec l'équipe de physique théorique. Dans le cadre de cette thèse, un générateur Monte Carlo basé sur le modèle de supersymétrie avec R-parité violée a été développé et validé pour une production officielle d’échantillons d’événements Monte Carlo. Des études ont également été effectuées afin de caractériser dans les données expérimentales les contributions venant des différentes sources de bruit de fond. Les résultats obtenus ont été publiés dans deux articles ; ils présentent les limites extraites sur les contributions pouvant venir du type de nouvelle physique étudiée et sur les paramètres des modèles associés.

Étude de la production de quark top célibataire

Dans les collisionneurs hadroniques, les quarks top célibataires sont produits par interaction électrofaible, cette production impliquant un vertex Wtb. Le principal mode de production est la voie t impliquant l’échange d’un boson W virtuel, le quark top célibataire produit décroissant ensuite par interaction électrofaible en un boson W et un quark b. Le boson W peut décroître par la suite soit leptoniquement en un lepton chargé et un neutrino, soit hadroniquement en deux quarks légers. Les quarks top ainsi produits sont très fortement polarisés; des mesures de précision sur les différentes observables de polarisation permettent de contraindre fortement de potentiels couplages Wtb anormaux. L’activité du groupe du LPSC a, ces trois dernières années, porté sur les mesures de ces observables de polarisation dans le canal de décroissance leptonique. Un travail important a été mené afin de développer et valider les méthodes d’analyse, à savoir les procédures de convolution des différentes distributions angulaires à partir desquelles les observables de polarisation sont mesurées. L’analyse menée sur les données collectées en 2012 montre un bon accord avec les prédictions du Modèle Standard de l’ensemble des observables de polarisation étudiées, comme résumé sur la Figure 4.

ATLAS FIG4

                              Fig. 4 Observables de polarisation mesurées dans la production électrofaible de quarks top et comparaison avec les prédictions du Modèle Standard.

 

Recherche de boson de Higgs chargé se désintégrant en un quark top

De nombreuses extensions du Modèle Standard prévoient l'existence de nouveaux bosons de Higgs de grande masse. Depuis 2012, le groupe participe à la recherche d'un boson de Higgs chargé. La montée en énergie à 13 TeV du LHC a permis de pousser cette recherche dans la région la région de masse au-delà de 180 GeV. Le canal de décroissance exploité a été H+→tb, qui est prépondérant dans cette région. L'analyse a été conduite en deux modes, lepton + jet et dilepton, selon qu'un ou deux électrons/muons étaient exigés dans la signature. L'équipe a mis l'accent sur le canal dilepton. L'analyse la plus aboutie a été publiée en 2018. Elle exploite les 36.1 fb-1 enregistrés en 2015 et 2016 à 13 TeV. Elle exclut, avec un niveau de confiance de 95%, toute existence d'un boson de Higgs chargé dont le produit section efficace par rapport de branchement serait supérieur à 2,9 (0,07) pb pour une masse du boson H+ de 200 (2000) GeV.

 

4.2 Étude du secteur de Higgs

Mesure du couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top

La mesure directe du couplage de Yukawa entre le boson de Higgs et le quark top est possible via la production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top, notée ttH. Selon le mode de désintégration du boson de Higgs, il existe trois états finals dans lesquels le processus ttH peut être recherché : deux photons (H →γγ), deux quarks beaux (H → bb) et enfin un état final dit multileptons via la désintégration du boson de Higgs en paire de Z ou W ou leptons tau (H → WW, ZZ, ττ), ces particules se désintégrant à leur tour en leptons.
Le canal multileptons, sur lequel le groupe du LPSC est impliqué, est le canal dominant qui a permis de mettre en évidence dès l'été 2017 ce processus avec une significance de 4.2 σ.
En juin 2018, la collaboration ATLAS a rendu publique une analyse dans laquelle les états finals de plus petit rapport d’embranchement, ttH, H → ZZ → 4 leptons et ttH, H →γγ, ont été mis à jour. Grâce à une statistique accrue et à la combinaison de ces analyses améliorées avec les autres états finals, ATLAS a annoncé l’observation à 6.3 σ de la production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top. L'intensité du signal mesuré pour tous les canaux multileptons est représenté sur la figure 5 pour différents canaux avec un résultat combiné en accord avec la prédiction du Modèle Standard.
L’avenir de l’étude du processus ttH passe désormais par la prise en compte de l'intégralité de la statistique du Run 2 ainsi que par l’étude des distributions différentielles. L'équipe s'est particulièrement investie dans l'optimisation de la stratégie d'analyse, la compréhension des bruits de fond irréductibles ttW et ttZ, la réduction et l’estimation "data-driven" des leptons non-prompts et l’interprétation statistique des résultats. Dans ce cadre, un membre de l'équipe a également endossé la responsabilité globale de l'analyse 2ℓSS+τhad avec deux électrons ou muons de même signe et un lepton tau décroissant hadroniquement.

 

ATLAS FIG5

Fig. 5. Intensité du signal mesuré dans tous les canaux de désintégration multileptoniques.

 

Étude prospective de la production de paires de Higgs

Dans le Modèle Standard, le potentiel de Higgs est postulé de façon ad hoc. Aucune explication plausible de son origine n'est donnée. La mesure de l'auto-couplage du boson de Higgs, c'est à dire la constante de couplage  associée à un vertex de trois bosons de Higgs, permet de reconstruire expérimentalement le potentiel de Higgs et ainsi de vérifier le mécanisme de Higgs.
La façon la plus directe de mesurer  consiste à étudier la production de paires de bosons de Higgs (HH). Dans le cadre du Modèle Standard, le taux de production de HH est 500 fois plus faible que celui des bosons de Higgs simples et une mesure précise nécessite les données du HL-LHC. Suite au travail de prospectives du LPSC en 2015, l'équipe ATLAS du LPSC a décidé de concentrer - après les analyses des données du Run 2 en cours - ses efforts d'analyse sur ce sujet.
Le travail de l'équipe sur la mesure de  a commencé fin 2017 avec la conclusion de deux des analyses des données du Run 2. L'équipe a élaboré une étude qui quantifie la précision attendue dans le canal H(→bb)H(→γγ) avec les données du HL-LHC. Cette étude a été publiée dans le CERN Yellow Report sur la physique au HL-LHC. Ces résultats sont mis en avant dans le résumé de dix pages du Yellow Report que le CERN a soumis comme contribution à la mise à jour de la European Strategy for Particle Physics (ESPP) appelée à paraitre en 2020. Ces nouveaux résultats constituent une contribution majeure à cette étude stratégique en cours sur le futur de la discipline : alors que les études précédentes ne permettaient pas d'affirmer que le HL-LHC observera la production de HH, les nouveaux résultats démontrent que la découverte de HH est possible et que la mesure de  avec une précision de 50 % ou mieux est atteignable.
Si les méthodes pour la sélection et l'isolation du signal HH du bruit de fond sont performantes, les méthodes d'extraction de restent encore simples. De grandes améliorations de la précision sont attendues avec l'utilisation future de la méthode de la matrice. Elle fait un usage optimal de la cinématique des évènements pour l'extraction du signal. Un premier travail a permis une première implémentation de cette méthode pour H(→bb) H(→γγ).

ATLAS FIG6

Fig. 6. : précision expérimentale attendue (expérience ATLAS seule ; l’expérience CMS prévoit une précision comparable) sur le paramètre kl qui représente la constante de couplage Lambda mesurée divisée par la valeur de Lambda prédite dans le cadre du MS.

 

 4.3 Recherche de nouvelle physique avec des photons

Recherche de matière noire dans un état final avec un seul photon

Une piste envisagée pour expliquer la nature de la matière noire est de postuler l’existence d’une nouvelle particule massive interagissant faiblement (WIMP). Un mode de recherche de ces particules au LHC est la présence d’un photon énergétique issu de la radiation initiale et d’une grande impulsion transverse manquante due aux WIMPs. Le LPSC a participé à l’édition de la publication sur les données à 13 TeV de 2015 et 2016. Ce canal est l’un des nombreux canaux possibles et la publication de la combinaison de tous ces canaux, incluant la résonance de paires de quark top a été coordonnée par une membre de l’équipe. Un exemple en est donné sur la figure 7.
Recherche de nouvelle physique avec deux photons dans l'état final

L'équipe du LPSC est impliquée depuis 2010 dans la recherche de physique au-delà du Modèle Standard dans un état final avec deux photons. Il existe par exemple des théories de dimensions supplémentaires (modèles de Randall – Sundrum ou de Arkani-Hamed-Dimopoulos- Dvali) qui prédisent l’existence d’excitations d’un graviton de spin 2 pouvant se désintégrer en deux photons.

Cette recherche s’appuie sur la très bonne résolution en énergie du calorimètre, qui permet d’identifier un pic ou une queue de distribution se manifestant au-dessus du bruit de fond irréductible du Modèle Standard.
En 2015, un excès avait été observé à une masse invariante autour de 750 GeV. L’analyse de l’ensemble des données du Run 2 n’a pas permis de confirmer cet excès. Des limites inférieures sur les masses des gravitons ont pu être dérivées à 4.1 TeV pour le modèle résonant (modèle de Arkani-Hamed-Dimopoulos- Dvali) et 7.2 TeV pour le modèle non résonant (modèle de Randall – Sundrum).

ATLAS FIG7

Fig. 7. Exemple de complémentarité des différents canaux de recherche dans un modèle où des WIMPs sont produits via un boson vecteur. La complémentarité dépend des couplages aux quarks et aux WIMPs qui sont indiqués sur le graphique

Recherche de nouvelles physiques avec des photons collimés dans l'état final

La production de photons collimés, issus d'une particule X se désintégrant en deux particules a qui se désintègrent chacune en plusieurs photons, a été prédite comme une interprétation possible de l'excès observé à 750 GeV dans l'analyse di-photons. Ces photons collimés sont reconstruits comme un seul photon lorsque ma<0.01 mX. Cette recherche est similaire à la recherche de résonances di-photons avec des critères additionnels de sélection utilisant les formes de gerbe. Le spectre de masse observé est compatible avec le bruit de fond. Les résultats sont interprétés selon des scénarios avec 4 à 12 photons dans l'état final.

ATLAS FIG8

Fig. 8 : Significance en fonction de la masse made la particule intermédiaire et de la masse mXde la particule résonante.

 

5. Futur collisionneur : R&D pour l’ILC

L’ILC (International Linear Collider) est un projet de collisionneur d’électrons et de positrons à une énergie totale comprise entre 90 GeV et peut-être à long terme de 1 TeV. L’équipe ATLAS, via J.Y. Hostachy, s’est historiquement préparé depuis les années 2010 en vue d’un tel projet en orientant ses efforts sur les activités de Recherche et de Développement en mécanique, en continuité avec l’historique et le savoir-faire du groupe portant sur la calorimétrie électromagnétique (EM). Un membre de l’équipe est membre de la collaboration internationale CALICE (CAlorimeter for the LInear Collider Experiment) qui regroupe 57 Instituts de 17 pays différents provenant des 4 continents
: Afrique, Amérique, Asie et Europe ; ainsi que de la collaboration internationale ILD (International Large Detector). Cette activité concerne essentiellement des R&D techniques et instrumentale.
Les travaux du Service Études et Réalisations Mécaniques ont été réalisés en collaboration avec les laboratoires LLR de Palaiseau et le LAL d'Orsay.

ATLAS FIG9

Fig. 9. Réalisation d’une couche 3 alvéoles de 2m50, d’un grand module du bouchon EM

Au LPSC-Grenoble, l’équipe est ainsi engagée dans :
1. La conception de l'architecture générale des bouchons EM : structure alvéolaire haute résistance (tungstène + fibres de carbone), dessins avancés, simulations numériques et réalisation de prototypes à structures longues (2,5m), voir Figures 9.
2. L'assemblage et le positionnement de l'ensemble (tonneau + bouchons) du calorimètre EM : conception et réalisation de rails en composite structurel ou en aluminium avec passage des fluides et commandes.
3. La définition du système de thermalisation de l'ensemble du calorimètre EM : système de circulation d'eau sous-atmosphérique "leakless", prototypes d'échangeurs thermiques, centrale de refroidissement, étude détaillée de l’installation globale (circuits, vannes, etc...), test en grandeur réelle (exemple : thermalisation du module EUDET), test d'une boucle sous-atmosphérique prototype. Ces derniers tests ont constitué mi-2018 le livrable D14.8 du contrat Européen (FP8) AIDA2020, contrat dans lequel le LPSC à la responsabilité du WP14.5.2 (Compact and highly efficient cooling systems), voir Figure 10.
4. La réalisation d'un outillage de manutention et l'étude des différentes étapes de l'intégration des bouchons dans le détecteur ILD.
L’avenir de cette activité est actuellement suspendu à la décision de la communauté – et de l’IN2P3 - de s’engager dans la construction de l’ILC. Les compétences acquises et développées dans le domaine (matériaux composites, refroidissement) pourront faire l’objet de valorisation auprès d’autres projets si celui-ci ne devait aboutir.

ATLAS FIG10

Fig. 10. Rails de fixation et réseau de refroidissement sous-atmosphérique du ECAL

 

Liste des thèses récentes et en cours

  • Recherche de physique au delà du Modèle standard
    Guillaume Albouy, soutenance prévue en 2024
  • Recherche de jets sombre dans ATLAS
    Nathan Laloué, soutenance prévue en 2022
  • Etude prospective du canal HH->bbgammagamma au HL-LHC
    Raphaël Hulsken, soutenance prévue en 2021

Liste complète des thèses


Habilitations à diriger les recherches

I obtained a BSc in Physics in 1986 at the University of Science and Technologies at Algiers. I moved to France in October 1987, where I obtained an MSc in Nuclear Physics and a PhD in Nuclear and Particle Physics at the University of Grenoble in 1990. I obtained a permanent position as a full researcher at CNRS in 1991. I completed my Habilitation at University of Grenoble in 1999 and became Research Director in 2009. Most of my past activity was performed at CERN but not only.

I have thirty years’ experience in research in the field of nuclear and particle physics and cosmology. I have been working at CERN and participated to several experiments on accelerators: at the Large Hadron Collider (LHC) with the ATLAS experiment, at the Super Proton Synchrotron (SPS) to study the Quark Gluon Plasma state of matter using heavy ions beams , or at the Low Energy Antiproton Ring (LEAR) studying hypernuclear fission in heavy nuclei. I have also participated to a space experiment led by NASA, the AMS experiment (Anti-Matter Spectrometer), in view to search for anti-matter in space. I had the privilege to contribute to the major discovery of this century in the field of particle physics, the Higgs Boson. With the ATLAS experiment, I contributed to B quark and Higgs physics and more recently to the search for a diphoton at high mass, the graviton in the context of extra-dimensions models. I was involved in the design, prototyping and implementation of the electromagnetic calorimeter and in the development of the related software and the Grid computing framework. I served as Publications committee member and as Physics Office coordinator until 2020.

I was team leader of the Grenoble LPSC ATLAS group for ten years and I was scientific project leader of the French National Grid infrastructure, LCG-France, for another ten years. The National Infrastructure is composed of 13 institutions collaborating with the WLCG collaboration led by CERN, which gathers 200 Institutions and 30 countries to provide the most performant Computing and Grid technology to the LHC experiments.

In addition to research, R&D and management, I supervises PhDs and many other degree students, participate in researchers and engineers recruitment boards and is an EU expert evaluator for H2020-MSCA programs. In 2019, I joined the FCC (Future Circular Collider) studies collaboration. I have a good knowledge in  worldwide collaborations, high-level fundamental physics and research. I have also proven skills in technology and innovation and a good experience in management and budget handling.

Having a strong background with Africa, particularly North Africa, I have played a coordinator role on behalf of my Institution, CNRS, to develop collaborations and schools in fundamental fields of physics and their related instrumentation. Since more than twenty-five years, I am contributing and managing many CNRS International Research Projects to promote science, physics and grid technology in Africa. I have organized the first African school in particle physics in Morocco in 2011 and participated to the organization of the first "physics for development" EPS conference in Brussels in 2012. I served as board member of the C13 committee (Physics for development) of the IUPAP and the Physics for development group at EPS. I am co-founder and member of the steering committee of the ASFAP strategy project, which aim, is the African Science Renaissance.

Gender balance is the other aspect that is of a great concern to me. In this respect, I have many activities to promote science at school towards girls and to fight against the ceiling glass and many other imbalances at university and at work. I am also the founder and the first president of “Parité Science” association in the Alps region in France.

Research topics

  • 1988-1991: PhD thesis; Nuclear physics, hypernuclei produced at fission using antiproton beam, CERN PS (LEAR).
  • 1991-1996: Search for the quark gluon plasma state using heavy ions beams on fixed targets at  CERN SPS; NA38 and NA50 experiments.
  • 1997-1999:  Anti-matter Spectrometer in space with the AMS experiment.
  • 2000-today: Particle Physics at ATLAS LHC; b-quark Physics, Higgs Physics, extra-dimensions.
  • 2004-2014: Computing and Grid for the LHC.
  • 2019- today: Future Circular Colliders design and study project (FCC), FCCee and FCChh.

Career

  • 1990-1991: Teaching assistant at University of Grenoble.
  • 1991: CNRS full researcher at Institut de Physique Nucléaire de Lyon, France.
  • 2009: CNRS research director at Grenoble LPSC, France.

Distinctions

  • 2018: Selected for the interview and shortlisted for the ICTP Director position.
  • 2016-2020: Appointed as Physics and Committees Office chair by the ATLAS experiment management.
  • 2015-2018: Appointed as director of the International Research Network P2IM by the CNRS/IN2P3.
  • 2009: CNRS research director at Grenoble LPSC, France.
  • 2009-2014: Nominated to the IUPAP C13 committee by the French Academy of Sciences, Particle Physics branch.
  • 2007: « Hubert Curien » promotion of CNRS future leaders. One year workshop on management practices to become one the CNRS future leaders.
  • 2004-2014: Appointed LCG-France Scientific project leader by CNRS and CEA (IRFU).
  • 2003-2013: Appointed by CNRS France to become the ATLAS experiment Team Leader at LPSC Grenoble.
  • 2002-2005:  Founding President of the association Parité Science.
  • 2000-2002:  Appointed President of the Alps branch of the French Physics Society.

Leading positions and expertize

  • 2016-2020: Physics Office chair at the CERN ATLAS collaboration.
  • 2016-2018: ATLAS experiment Publications Committee member.
  • 2015-2018: Scientific coordinator of the International Research Network P2IM.
  • 2009-2013: CNRS-IN2P3 coordinator in charge of the collaborations with the Mediterranean countries.
  • 2004-2014: LCG-France Scientific project leader.
  • 2003-2013:  ATLAS experiment Team Leader.
  • 2001-2003: Grenoble LPSC Lab. communication coordinator.
  • 2000-2003: Grenoble LPSC Seminars organization chair.

Consultancy & Committees

  • 2017-2020: EU Expert for the evaluation of H2020-MSCA projects.
  • 2015-2018: Board member of the National Excellence Lab: LABEX Enigmass .
  • 2008-2014: CERN-WLCG Overview board member.
  • 2006: French National Institutions Evaluation (AERES) committee member (Clermont, Annecy).
  • 2005-2006: Director’s review member committee for Fermilab experiments computing (Chicago, USA).
  • 2004-2014: Member of the Scientific Council of the computing center: CC-IN2P3.
  • 2004-2014: CERN Computing Resource Review board member.
  • 2003-2004: ATLAS Physics France organization committee member.
  • 2001-2010: ATLAS Computing France organization committee member.

Invited jury

  • 09-06-2020: Rapporteur and defense thesis jury member: M. Faraj (Udine, Italy).
  • 21-09-2017: Defense thesis jury member Simon Berlendis, LPSC-Grenoble, ATLAS experiment.
  • 25-10-2013: Defense thesis jury chair: Zhaoting Pan, LPSC-Grenoble, Particle Physics Theory.
  • 11-12-2013: Defense thesis jury member: Youssef Khoulaki, Casablanca, Morocco, ILC project.
  • 2013 and 2014:  Researcher recruitment board member for CNRS
  • 2012: CNRS IT engineers recruitment jury chair for the LMA laboratory.
  • 2010: CNRS IT engineers recruitment jury member for the CCin2p3 laboratory.
  • 2009: CNRS IT engineers recruitment jury chair for the CCin2p3, CPPM and CREATIS laboratories.

Professional Societies

  • 2020-2023: Co-founder and member of the steering committee of the ASFAP project.
  • 2005-2020: Parité Science and Femmes et Science (F&S) associations board member.
  • 2010-2014: EPS Physics for development group board member.
  • 2009-2014: IUPAP C13 committee member.
  • 2004-2011: North-South French Physics Society (SFP) committee chair.
  • 2000-2009: SFP particle Physics division board member.
  • 2003-2007: SFP Council elect member.
  • 2002-2005:  Founder President of the association Parité Science.
  • 2000-2002:  President of the SFP Alps branch.

Schools, Conferences, Workshop, Seminars

 As Director

  • HEP school in the Mediterranean, Taza, Morocco, March 26th - April 3rd, 2011.
  • 1st North South Physics Congress, Oujda, Morocco (2007); Editor: arXiv:0711.0845.
  • French Physics Society – HEP school: Journées Jeunes Chercheurs (JJC), Belgium, Dec. 2003.

As a member of the organizing committee

  • Second FCC-France Workshop; Virtual attendance, 20-21 January 2021.
  • First FCC-France Workshop; Virtual attendance, 14-15 May 2020.
  • Chair of 19 LCG-France workshops, 2003-2015.
  • First EPS Conference on physics for development, Brussels, October 2012.
  • HEP school, tools and computing, Oran, Algeria, May 29th - June 3rd, 2012.
  • Higgs session secretary @ EPS-HEP conference in Grenoble, July 2011.
  • Ecole des accélérateurs de particules, Tunis, Tunisia, May 9-14 2011.
  • IN2P3 IT workshop: JI2006, Valpré Lyon (Sep. 2006) and JI2004, Lac d'Hourtin (May 2004), France.
  • French Physics Society – HEP school: Journées Jeunes Chercheurs (JJC), Modane, 2002.

Special events

  • Présidente du comité d'organisation des Réunions des sites LCG-France: les rencontres
  • Organisation des rencontres IN2P3-STIC du grand Sud Est, Grenoble 2006.
  • Présidente des 1ères Rencontres IN2P3/STIC autour de la grille de calcul du LHC, Grenoble 2005.
  • Membre du comité des journées prospectives IN2P3, La Colle sur Loup, 2004

Publications

At large experiments such as CERN experiments, the author list comprises all contributors of any expertise or skill. Therefore, the author list contains more than 3000 authors for the ATLAS experiment, about 100 authors or less for the NA38 and NA50 experiments and it spans from 2 to 10 authors for older experiments.

I am the author of 1063 papers and 982 peer-reviewed ones since 1988, of which around 900 within ATLAS experiment. There are 18 renowned papers (with 500+ citations) and 33 Famous papers (with 250-499 citations).

My production is at this link: Inspire-HEP and my Open Researcher and Contributor ID is ORCID-0000-0002-0948-5775 . The h-index of the published papers is 163. The average citations/paper is 132. The number of publications with 10 authors or less is 16. The number of publications as single author is 8.

Ten research publications representing landmark achievements and their # of citations

  • ATLAS Collaboration (~3000 authors), Measurements of Higgs boson properties in the diphoton decay channel with 36 fb−1 of pp collision data at √s=13 TeV with the ATLAS detector, Rev. D 98 (2018) 052005(74 pages). (Citations= 232)
  • ATLAS Collaboration (~3000 authors), Search for resonances in diphoton events at √s=13 TeV with the ATLAS detector, JHEP09 (2016)001 (32 pages). (Citations= 207)
  • ATLAS Collaboration (~3000 authors), Search for high-mass diphoton resonances in pp collisions at √s=8 TeV with the ATLAS detector, Rev. D 92 (2015) 032004 (22 pages). (Citations= 184)
  • Driouichi, P. Eerola, M. Melcher, F. Ohlsson-Malek, S. Viret (5 authors), Observation potential of the decays B0(s,d) --> J/Psi eta in the ATLAS experiment at the LHC, Eur.Phys.J.direct 4 (2002) 1-13, N2. (Citations=4)
  • P Araque et al. (19 authors), Continuous Integration and Web Framework in support to the ATLAS publication process, arXiv: 2005.06989, accepted in JINST (2021). F. Malek is contact and principal editor.
  • THuillier, F.Ohlsson-Malek et al. (10 authors), Experimental study of a proximity focusing Cherenkov counter prototype for the AMS experiment, Nucl.Instrum.Meth.A 491 (2002) 83-97. (Citations=12)
  • Bellaiche et al. (10 authors), The NA50 segmented target and vertex recognition system, Nucl.Instrum.Meth.A 398 (1997) 180-188. (Citations=16)
  • The NA38 and NA50 Collaborations (<60 authors), Low mass dimuon production in proton and ion induced interactions at SPS, Phys.J.C 13 (2000) 69-78. (Citations=16)
  • A. Armstrong et al. (18 authors), Fission of heavy hypernuclei formed in anti-proton annihilation, Phys.Rev.C 47 (1993) 1957-1969. (Citations= 61)
  • Nifenecker and F. Malek (2 authors), Lambda attachment in fission: A Probe of the necking dynamics, Nucl.Phys.A 531 (1991) 539-554. (Citations=6)

Print Media

Editor of Workshop proceedings

  • La recherche et l'enseignement de la physique. Malek F., Darche M., Maaroufi F. 1er Congrès Nord-Sud de Physique, Oujda (2007).arXiv :0711.0845v1
  • Actes 2e Colloque LCG-France. Chollet F., Hernandez F., Malek F., Shifrin G. 2ème Colloque LCG-France, Clermont-Ferrand (2007). HAL: in2p3-00150640.

Editor of physics prospects reports

  • Chapter « Calcul » : prospectives IN2P3-IRFU de Giens 2012 .
  • Contribution de l'IN2P3 à l'upgrade d'ATLAS. Scientific Council, June 21st 2012; HAL :in2p3-00833284.
  • Rapport d'activité de la collaboration ATLAS-IN2P3 pour le conseil Scientifique, décembre 2004; chapter 5.
  • Le calcul à l'IN2P3 et au Dapnia, prospectives 2004-2014; Editrice Grille de calcul, chapter 1.

Articles of popular scientific character and Web Media

  • Assamagan, F. Malek, Opinion: EU Strategy for particle Physics, The African Physics NewsLetter, September 2019.
  • Malek, L’école de physique avancée au Maghreb 2011 - Reflets de la Physique 26 (2011) 29.
  • Malek, Projet de congrès sur l'enseignement et la recherche en physique, Reflets de la Physique 1 (2006) 19.
  • Malek, La SFP entre Nord et Sud - Bulletin de la SFP 152 (2006) 30.
  • Malek, L'année Mondiale de la Physique entre Nord et Sud - Bulletin de la SFP - 150 (2005) Editorial.
  • Malek, La SFP et les collaborations Nord-Sud - Bulletin de la SFP, 137 (2003)27.
  • Malek, Nobel de Physique : une récompense aussi pour l'informatique. Lettre IN2P3 Informatique 2013, 25.
  • F. Malek, La grille, cette utopie technologique dont le LHC avait besoin.  Lettre IN2P3 Informatique 2008,  2

Supervision

Post-Doctoral

  • 2012-2014 : Dr. J. Brown on high mass diphoton analyses with 8 TeV pp collisions at ATLAS.Now engineer at Sentryo Company in Lyon, France.
  • 2007-2011 : Dr. J. Donini on Top-quark Physics at ATLAS. Now, professor at University of Clermont, France.
  • 2006-2007 : Dr. B. Clement, on Top-quark Physics at ATLAS. Now, assistant professor at Grenoble University.

PhDs

  • 2018 : T. Meideck, on high mass diphoton analyses with 13 TeV pp collisions at ATLAS.  Now aeronautic engineer at Altran Company.
  • 2015 :  M. Wu, Monophoton analyses with 13 TeV pp collisions at ATLAS. Now ATLAS Post-Doc @MaxPlack in Germany.
  • 2013 :  Q. Buat, high mass diphoton analyses with 7 TeV pp collisions at ATLAS. Now fellow at CERN in ATLAS.
  • 2008 : B. Brelier, Associated (W,Z) Higgs production in 2 photons decay channel prospects in ATLAS.  Now research assistant at Toronto University, Canada.
  • 2007 :  D. Minh, Computing and Grid infrastructure. Thesis in collaboration with INRIA (computing research center). Now in Vietnam.
  • 2004:  S. Viret, B mesons radiative decays at ATLAS. Now, full researcher at CNRS in CMS experiment.

Master 2

  • Thomas Meideck, March-August 2015 -- ATLAS, diphotons at high mass at 13 TeV in ATLAS
  • Alex Chauvin, Mars-Juin 2014. ATLAS, high mass diphoton analysis, UN2 preparation
  • Sébastien Viret, April-June 2001 -- ATLAS, B Physics, Bs to J/psi Eta(gamma gamma) 
  • Alexis Bouchet, April-June 1998 --AMS, RICH prototype

Master 1

  • Maria Benmanseur M1 UGA, Juin-Août 2020 -- Etude comparative des futurs collisionneurs des particules (LHC, HL-LHC, FCC).
  • Richard Naab, Stage M1/Diplom Arbeit - March-August 2018 -- Recherche de matière noire dans ATLAS.
  • Johannes Hofer (Karlsruhe, Germany), March-June 2005 -- Analysis of 2004 ATLAS Combined Test beam
  • Fabian Schuessler(Karlsruhe, Germany), March-June 2003 -- ATLAS B Physics,Bs to J/psi Eta (pi+ pi- p0)
  • Martin Melcher (Karlsruhe, Germany),March-June 2001 -- ATLAS EMCALorimeter for B Physics
  • Aurélien Cottrant, March-June 2000 -- ATLAS B Physics, B to J/psi K*0

Licence et Magistère

  • Jeremy Bernon : 6 weeks in june-july 2011 ; study of the production of the Z boson decaying to two leptons in ATLAS.
  • Elie Thiery (July 2007) -- ATLAS and Higgs Physics
  • Chung Brice and Said Hasnaoui, 2004 (6 weeks: may-june-july) -- ATLAS and the theory of extra-dimensions
  • Julien Degorre, 1999 (3 weeks)-- AMS, RICH Prototype test Beam studies
  • Isabelle Colombier, 1999 (2 months)-- AMS, RICH Prototype cosmics test studies

Socrates

  • Jaroslav Nowak (Wraclav, Poland),  February-June 2002 -- ATLAS B Physics, Bs to J/psi Eta (pi+ pi- p0)

Others

  • Johanna Simon, Praktikumsbericht - Technische Universitat Darmstadt: AMS, RICH prototype Test Beam analysis, 1999.

Janus (summer trainings 1st year undergrade students)

  • Aurélie Boian, Analyse des données 2015 avec ATLAS, Juillet-Aout 2017, Université de Nantes.
  • Patrice Verdier, Reconstruction des particules dans Geant3 Juillet 1997. UCB-Lyon.
  • Cyrille Rosset, Plasma of Quarks and Gluons, July 1996
  • Estelle Hamzij,Training with Gean 3, September 1995

Classes préparatoires

  • Marianne Falda and Hélène Marcelli, 2004 (2 weeks in june): Research, Science, Particle physics and ATLAS

 Given talks at conferences on behalf of the experiments or through personal invitation

  • ESOF: Science in the city,“Solutions for a CO2 free planet", Trieste, August 18th, (2020).
  • Overview of New Physics searches in ATLAS, Quarks-2020, Pereslavl Zalessky, Russia, 7-13 Juin 2020 (postponed to 2021).
  • Higgs and New Physics at ATLAS and CMS, 56th International winter meeting on nuclear physics, Bormio, Italy, 22 - 26 Jan (2018).
  • Search for a high mass diphoton resonance using the ATLAS detector, 5th International Conference on New Frontiers in Physics (ICNFP2016), Kolymbari, Greece, Jul (2016).
  • Non-SUSY BSM Searches: Recent Results from ATLAS & CMS, 4th Symposium on Prospects in the Physics of Discrete Symmetries, DISCRETE conference, London, United Kingdom, Dec. (2014).
  • La découverte d'un nouveau Boson au LHC, présent et perspectives, JI2012, La Londe les Maures, France, Oct. 22-25 (2012).
  • Experience and activities to promote the use of grids in Africa, EUMEDGRID-Support User Forum Lyon France, Sep. 22-23 (2011).
  • Grids in the southern Mediterranean region, Sharing Knowledge Foundation Colloquium, Malta Mai (2011).
  • La grille de calcul en physique des particules, ACONIT, France, 21 Oct. (2010).
  • The LHC Grid Challenge, 1st IPM Meeting on LHC Physics, School of Particles and Accelerator, Isphahan, Iran, April, 20-24 (2009).
  • Le défi informatique du LHC et le développement des grilles de calcul, Congrès Général de la SFP, Palaiseau-France, July 6-10 (2009).
  • Particle Physics with the ATLAS experiment, conference given at Shandong University, China, Feb. (2008).
  • 3rd EGEE User Forum, Clermont-Ferrand - France at "Le Polydrome" Convention Centre, 11-14 Fev. (2008).
  • Les succès des grilles de calcul en physique des hautes énergies. Inaugural conference of the Institut des Grilles (IdG), Paris 3 Dec. France (2007).
  • CP violation and rare B -decays at ATLAS, EPS/HEP2005, Lisbon 21-27 Jul. (2005).
  • B Physics and CP violation at the LHC start. ATLAS Overview week in Prague, 13-20 Sep. (2003).
  • Prospects of ATLAS and CMS for B Physics and CP Violation. Flavor Physics and CPviolation conference (FPCP), Paris, 3-6 Jun. (2003).
  • ATLAS Calorimeter capabilities for the observation of B(s;d) à J/Y h, 5th International Conference on Hyperons, Charm and Beauty hadrons, Vancouver, Canada, 25-29 Jun. (2002).
  • B(s;d) à J/ Y h studies, what can we learn ? Third ATLAS physics workshop, Lund (Sweden), Sep. (2001).
  • A new measurement of the J/Y production rate in Pb-Pb interactions at 158 GeV/c per nucleon. Europhysics Conference on High Energy Physics, EPS-HEP'97, Jerusalem, Israel, 19-26 Aug. (1997).
  • A Di-Muon spectrometer to study charmonium production. ELFE summer school and Workshop on Confinement Physics. Cambridge (England), Christ's College, Jul. 22-28 (1995).
  • J/ Y and Y ’ production in the NA38 experiment. QCD and High energy hadronic interactions, 29emes Rencontres de Moriond, France (1994).
  • Charmonium production: Why and How? The ELFE project, an electron laboratory for Europe, Maiz, Germany, 7-9 Oct. (1992).
  • Lambda attachment in hypernuclear fission. LEAP 90, First Biennal Conference on Low Energy Antiprotons Physics, Stockholm, Sweden, 2-6 Jul. (1990).

Details on some activities

During the PhD period (1988-1990), I was member of the PS177 CERN experiment located at LEAR, the Low Energy Anti-proton storage Ring. The experiment uses antiprotons at rest on heavy elements such as Bi or U and measures the lifetime of the hyper nuclei produced during the fission. The lifetime of a Lambda particle embedded in a nucleus (hypernucleus) decreases from that of free Lambda decay due to the opening of the Lambda N to NN weak decay channel. However, it is generally believed that the lifetime of a hypernucleus attains a constant value (saturation) for medium to heavy hyper nuclear masses, thus the purpose of that measurement.

I was hired as researcher at CNRS in 1991 and became member of the NA38 and NA50 experiments to Search for the Quark & Gluon Plasma (QGP) state. I worked on R&D for the upgrade of the inner detector to better identify primary particles interaction vertex. In addition, I was analyzing the data to confirm the strangeness enhancement, which would accompany the charmonium suppression, which is expected when a QGP is created. In 2000, NA50 experiment found an evidence of the deconfinement of quarks and gluons from the charmonium suppression pattern. In 1996, I moved to the Grenoble LPSC laboratory and became member of the AMS experiment, which flew to space and was installed on the International Space Station by NASA. The main interest of this experiment is the discovery of Anti-Matter in space. I was responsible for the prototyping, the tests and the construction of the Cherenkov detector, which was placed in the 2nd version of the experiment which flew in 2011.

At year 2000, I became member of the CERN ATLAS experiment at the LHC (Large Hadron Collider), a worldwide collaboration of 3000 scientists. I was involved in physics analyses studies of b-quarks and Higgs before the data collection era, which started in 2009. At the same period, I participated to the Liquid Argon Calorimeter sub-detector design, prototyping, tests, construction, and commissioning. Then I was involved in exotics searches, looking for the Graviton in its two photons decay using data from the collisions with center of mass energy of 7, 8 and 13 TeV. I served at the Publications Committee board (PubCom) from 2018 to 2020 and as Physics and Committees office chair from 2016 to 2020.  

During the period 2003-2012, I was the Team leader of the LPSC Grenoble group participating to the ATLAS experiment at CERN. The team includes about 20 researchers, 3-5 PhD students per year, 10 to 30 engineers and technicians.   During my leadership period, the group was committed to the prototyping and construction of part of the Liquid Argon Calorimeter and to its full proximity cryogenics system. It has also developed the Calorimeter related software and the Analysis Metadata Interface (AMI) which is still used nowadays in the collaboration. The physics studies of the team members were performed in many channels: B quark, Top quark, Higgs and Exotics channels. In the period 2004 -2014, I was appointed by IN2P3 as scientific project leader of the National Infrastructure LCG-France, the French branch of the W-LCG (Worldwide LHC Computing and Grid).  The national infrastructure includes thirteen laboratories from CNRS and CEA, each of a size of 100 to 300 people. Each laboratory hosts a computing center providing, thanks to the LCG-France project, the necessary Grid computing hardware infrastructure and the related software tools and services. I was managing more than 50 people (mostly expertized engineers) with an annual budget spanning from two to five Million €. During that period, I have been member of the EU PF7/EUMEDGRID-Support project and was its France representative. Within this framework led by Italy, I participated to the collaborations with the Mediterranean basin countries, helping them to get skills and expertise in Grid computing.

Having a strong background in Africa, particularly North Africa, and interested in developing countries collaboration programs, I was given the opportunity to play an official coordinator role for my institution, IN2P3.  Since more than twenty-five years, I am contributing and leading many International programs and networks, with a significant budget, to promote science, physics and grid technology in Africa. A non-exhaustive list is given below:

  • I organized with the help of EPS (European Physical Society) and SFP (French physics Society), the first North South (France-North Africa) Physics Congress at Oujda, Morocco (2007), see arXiv: 0711.0845.
  • Together with EPS and SFP, we built the “Les Houches”-like schools in North Africa named EPAM (Ecole de Physique Avancée au Maghreb). The first and the fourth editions were organized in Tunisia on respectively “Nano-physics” (2009) and “Optics” (2012). The second edition was organized in Algeria on the “Renewable Energy” (2010) and the third one was organized in Morocco on particle physics and cosmology (2011). I was also the director of the third school.
  • I participated to the organization of the first EPS Conference on physics for development at Brussels, October 2012 where the attendees were mostly from African countries.
  • I have also participated to the Sharing Knowledge Foundation activities and Conferences where the developing countries gather to discuss and exchange experiences between Europe, Africa and Middle East.
  • I was also involved in similar activities with the IUPAP C13 committee, a committee dealing with physics for developing countries, and the similar one at EPS, the IGPD committee.

From 2015 to 2018, I initiated a collaboration with Morocco within an International Research Network program, P2IM. There were three French universities (Annecy, Grenoble and Montpellier) and four Morocco Universities (Casablanca, Rabat, Marrakech and Tanger). This program involved theoreticians as well as experimental physicists. The Field of research and collaboration included nuclear physics, particle physics and cosmology. It has also involved activities within two large experiments, ATLAS experiment at the LHC and Stereo (neutrino physics) at ILL (Institut Laue Langevin) at Grenoble, France.

In 2019, I got involved in prospects for the future of our discipline within the FCC design and study project which will decline into two different design: the FCCee to study extensively precision electro weak physics, the so called Higgs factory and the hadronic version, FCChh,  that aims is to make discoveries, for example the Dak Matter.

In 2020, I co-found the ASFAP project, which aims, is to help setting scientific long-term strategies to enable the African scientific capacity building and technological progress.

Marie-Hélène Genest (CNRS depuis novembre 2011, DR2, HDR) travaillant dans le groupe ATLAS, sur la thématique de la matière noire et la recherche de physique au-delà du modèle standard.

Étudiants supervisés

  • Guillaume Albouy, PhD en cours (octobre 2021 - ): Recherche de jets sombres au long temps de vie avec le détecteur ATLAS
  • Nathan Lalloué, PhD en cours (octobre 2019 - ): Recherche de jets sombres avec le détecteur ATLAS
  • Guillaume Albouy, stage M2 (printemps 2021): Recherche de jets sombres avec le détecteur ATLAS
  • Thomas Wojtkowski, stage M1 (printemps 2020): Recherche de jets sombres avec le détecteur ATLAS
  • Nathan Lalloué, stage M2 (printemps 2019): Recherche de jets sombres avec le détecteur ATLAS
  • Richard Naab (co-supervision avec F. Malek), stage M1 en collaboration avec Heidelberg (bachelorarbeit) (été 2018): perspectives pour l'analyse monophoton avec l'ensemble des données du Run-2
  • Léonard Aubry:
    • stage M2, printemps/été 2016: optimisation de l'analyse monophoton.
    • stage Phelma, printemps/été 2015: Travail sur les électrons imitant les photons pour la Recherche de candidats à la matière noire dans le canal monophoton avec le détecteur ATLAS au LHC à 13 TeV
  • Mengqing Wu (co-supervision avec F. Malek), PhD d'octobre 2012 à juillet 2015: Search for dark matter and supersymmetry in the single photon events with the ATLAS detector
  • Rémie Hanna (stage M2, printemps 2012): Recherche de la supersymétrie via la production directe de neutralinos et de charginos dans ATLAS
  • Mourad Fouka (stage M2, printemps 2012): Recherche d'un modèle supersymétrique avec sneutrino stable dans ATLAS

Documents

Publications

  • W. Abdallah et al, Reinterpretation of LHC Results for New Physics: Status and Recommendations after Run 2, SciPost Phys. 9 (2020) 022, arXiv:2003.07868.

  • ATLAS Collaboration, Constraints on mediator-based dark matter and scalar dark energy models using sqrt{s} = 13 TeV pp collision data collected by the ATLAS detector, JHEP 05 (2019) 142, arXiv:1903.01400.
  • X. Cid Vidal et al., Beyond the Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC, CERN Yellow Rep.Monogr. 7 (2019) 585-865,  https://arxiv.org/abs/1812.07831
  • T. Abe et al, LHC Dark Matter Working Group: Next-generation spin-0 dark matter models, Phys.Dark Univ. 27 (2020) 100351, arXiv:1810.09420

  • ATLAS Collaboration, Search for dark matter at √s=13 TeV in final states containing an energetic photon and large missing transverse momentum with the ATLAS detector, Eur. Phys. J. C 77 (2017) 393arXiv:1704.03848.

  • M-H.G. pour les collaborations ATLAS et CMS, Searching For Exotic Physics Beyond the Standard Model: Extrapolation Until the End of Run-3, à paraître dans les Proceedings of the 52nd Rencontres de Moriond on Electroweak Interactions and Unified Theories, https://cds.cern.ch/record/2261911.

  • A. Albert et al., Recommendations of the LHC Dark Matter Working Group: Comparing LHC searches for heavy mediators of dark matter production in visible and invisible decay channels,  Phys.Dark Univ. 26 (2019) 100377, arXiv:1703.05703.

  • ATLAS Collaboration, Search for new phenomena in events with a photon and missing transverse momentum in pp collisions at sqrt(s)=13 TeV with the ATLAS detector, JHEP 1606 (2016) 059, arXiv:1604.01306.

  • A. Boveia et al., Recommendations on presenting LHC searches for missing transverse energy signals using simplified s-channel models of dark matter, Phys.Dark Univ. (2019) 100365, arXiv:1603.04156.

  • Q. Riffard, F. Mayet, G. Bélanger, M.-H.G., D. Santos, Extracting constraints from direct detection searches of supersymmetric dark matter in the light of null results from the LHC in the squark sector, Phys. Rev. D 93 (2016) 035022, http://arxiv.org/abs/1602.01030.

  • M-H.G, pour les collaborations ATLAS et CMS, Searches for Dark Matter and Extra Dimensions at the LHC, ATL-PHYS-PROC-2015-048, à paraître dans les Proceedings des 27th Rencontres de Blois, http://cdsweb.cern.ch/record/2034386

  • D. Abercrombie et al., Dark Matter Benchmark Models for Early LHC Run-2 Searches: Report of the ATLAS/CMS Dark Matter Forum, Phys. Dark Univ. 26 (2019) 100371, arXiv:1507.00966.

  • J. Abdallah et al., Simplified Models for Dark Matter Searches at the LHC, Phys. Dark Univ. 9-10 (2015) 8-23, arXiv:1506.03116.

  • ATLAS Collaboration, Search for squarks and gluinos in events with isolated leptons, jets and missing transverse momentum at sqrt(s)=8 TeV with the ATLAS detector, JHEP04(2015)116, arXiv:1501.03555.

  • ATLAS Collaboration, Search for new phenomena in events with a photon and missing transverse momentum in pp collisions at sqrt(s)=8TeV with the ATLAS detector,  Phys. Rev. D 91, 012008 (2015), arXiv:1411.1559

  • ATLAS Collaboration, Search for new phenomena in events with a photon and missing transverse momentum in pp collisions at sqrt(s)=8TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2014-051
  • ATLAS Collaboration, Search for squarks and gluinos in events with isolated leptons, jets and missing transverse momentum at sqrt(s) = 8 TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2013-062
  • ATLAS Collaboration, Search for supersymmetry at  sqrt(s) = 8 TeV in final states with jets, missing transverse momentum and one isolated lepton, ATLAS-CONF-2012-104
  • ATLAS Collaboration, Further search for supersymmetry at sqrt{s}= 7 TeV in final states with jets, missing transverse momentum and one isolated lepton, ATLAS-CONF-2012-041

Séminaires, colloquiums, cours...

  • SUSY searches at the LHC, revue donnée lors des Recontres de Physique des Particules (RPP 2013), Grenoble,17 janvier 2013.

 

Responsabilités dans ATLAS

  • Membre du comité en charge des publications (depuis mars 2021)
  • Membre du comité en charge de l'attribution du statut d'auteur (depuis mars 2021)
  • Co-convener du groupe de physique Exotique (octobre 2017 - octobre 2019)
  • Membre du comité d'organisation scientifique du workshop Physics ATLAS France (29-31 mars 2017)
  • Organisation locale du ATLAS Beyond the Standard Model Higgs and Exotics Workshop (11-15 avril 2016)
  • Co-convener du groupe exotique "Jets and Dark Matter" (avril 2015 - avril 2016)
  • Co-convener du groupe de validation physique (novembre 2013-mars 2015) - voir l'activité Validation
  • Coordination du software pour le groupe de supersymétrie d'ATLAS (mars 2012 - avril 2013)
  • Éditrice de l'analyse monophoton pour les données 2012
  • Éditrice de l'analyse lepton(s)+jets+MET pour les données 2012
  • Avant d'arriver au LPSC, co-convener du groupe de supersymétrie d'ATLAS pour les états finaux basés sur la présence d'énergie transverse manquante (oct. 2010 - oct. 2011)
  • Membre de plusieurs comités de rédaction pour des analyses supersymétriques ou exotiques

Responsabilités en dehors d'ATLAS

Autres

Interventions grand public, entrevues...