Depuis la découverte du boson de Higgs au CERN en 2012, aucun signe de nouvelle physique n’a été mis en évidence. C’est donc désormais la mesure des propriétés du boson de Higgs qui tient en haleine une grande partie de la communauté des physiciens sur accélérateur. L’un des aspects les plus ambitieux de cette recherche est la mesure de l’interaction du boson de Higgs avec les autres particules, ce qu’on appelle ses « couplages ». Ceux-ci étant entièrement déterminés par la théorie du Modèle Standard, une déviation de leur mesure par rapport aux prédictions signerait l’existence de nouvelle physique.

                  Le couplage du boson de Higgs aux fermions est proportionnel à leur masse, le quark top est donc la particule élémentaire avec le couplage le plus fort. C’est d’ailleurs ce couplage au top qui permet le mode de production dominant du boson de Higgs au LHC via la fusion de deux gluons (voir Figure 1a avec le diagramme de Feynman ainsi que celui ttH). La mesure directe du couplage de Yukawa entre le boson de Higgs et le quark top est possible en utilisant le processus de production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks tops notée ttH (voir Figure 1b). Or cette production est très rare et n’a pas été mise en évidence dans la première phase de prise de données du LHC (run 1).

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Figure 1 a - b

Production du boson de Higgs par fusion de gluons (gauche) et production du boson de Higgs associé avec une paire de quark top ttH (droite).

 

Selon le mode de désintégration du boson de Higgs, il existe trois états finaux dans lesquels le processus ttH peut être recherché : deux photons (H → γγ), deux quarks beaux (H → bb) et enfin un état final 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 canalmultileptons, sur lequel travaille une équipe du LPSC, est le canal dominant qui a permis de mettre en évidence (4.2 σ) la production de ttH au LHC à l’été 2017 avec les données des deux premières années (2015 et 2016) de la 2ème phase de prise de données du LHC, dite run 2 [Phys. Rev. D 97 p. 072003].

                  Le 4 juin 2018, la collaboration ATLAS a rendu publique une analyse dans laquelle les états finaux de plus petite probabilité de production, ttH, H → ZZ → 4 leptons et ttH, H → γγ, ont été mis à jour avec les données du run 2. Grâce à la combinaison de ces analyses améliorées avec les autres états finaux, ATLAS a annoncé en Juin 2018 l’observation * (à 6.3 σ) de la production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top [CERN-EP-2018-138, arXiv :1806.00425] (voir Figure 2).

 

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Figure 2

Mesure de la section efficace ttH normalisée par sa prédiction du Modèle Standard (507 femtobarn pour une énergie dans le centre de masse de 13 TeV) en combinant les canaux ttH, H → ZZ → 4 leptons ; ttH, H → γγ; H → bb et ttH, H → WW, ZZ, ττ (multi-leptons).

 

                  L’avenir de l’étude du processus ttH passe désormais par l’étude des distributions différentielles dont l’espace des phases se sonde via les états finaux individuels. Le LPSC est impliqué dans l’un des canaux multileptons, avec deux électrons ou muons de même signe et un tau (2ℓSS+τhad). Il s’agit du canal présentant la plus haute production de signal mesurée, plus de trois fois celle prédite par le Modèle Standard (voir Figure 3) ! Il est donc primordial de mettre à jour cette analyse avec les données additionnelles collectées pour savoir si cet excès est une fluctuation statistique ou une déviation significative par rapport à la prédiction du Modèle Standard.

Équipe : Xuan Yang (doctorant en co-tutelle Shandong-Grenoble), Johann Collot (Professeur UGA) & Marine Kuna (Maître de Conférence UGA)

 

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Figure 3

Intensité du signal mesurée dans tous les canaux multileptons. Le canal 2ℓSS+τhad étudié au LPSC, compte plus de trois fois le nombre d’événements Higgs attendus. La mise à jour de l’analyse avec 80 fb-1 est en cours.

 

Note : [*] En physique des particules, l’annonce d’une évidence ou d’une observation correspond à une mesure statistique de la probabilité d’observer un signal alors qu’il n’y en a pas. Pour l’observation cela correspond à une probabilité plus faible que 3 pour 10 millions (1 pour 1000 pour l’évidence) c’est-à-dire, pour un processus gaussien, de se trouver au-delà de 5 déviations standards ou 5σ (3σ pour l’évidence).

 

 

Dans les collisionneurs hadroniques, les quarks top sont principalement produits sous forme de paires ayant des charges de signe opposé. Dans le cadre du Modèle Standard, la production de paires de quarks top de même signe 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, la production de paires de quarks top de même signe est possible dans le cadre de modèle minimal de supersymétrie ou d'un modèle de supersymétrie supposant la violation de la R-parité.

Les études menées au LPSC pour la recherche de la production de quarks top de même signe dans les données du run-2 (13 TeV) sont les suivantes:

  • Développement de modèles de supersymétrie permettant de générer des échantillons d'événements avec deux quarks top de charge de même signe dans l'état final. Un générateur Monte Carlo a ainsi été développé, puis validé par la collaboration ATLAS, dans le cadre du modèle de supersymétrie avec R-parité violée.
  • Développement et mise en place des outils d'analyse permettent une caractérisation précise des événements de bruit de fond contaminant les données afin de pouvoir isoler les événement recherchés. Les contributions dues aux processus du Modèle Standard (basées sur des simulations Monte Carlo), ainsi que les contributions dues à des problèmes instrumentaux (estimation du taux de mauvaise identification de la charge des deux leptons selectionnés dans les données), sont étudiées.
  • Optimisation de la sélection finale des événements par rapport au signal recherché. La recherche de physique au-delà du Modèle Standard est étendue aux signaux conduisant à deux leptons de même charge dans l'état final, le travail d'analyse s'effectuant de façon commune sur les événements correspondant à cet état final. Des sélections supplémentaires sur l'activité hadronique (jets) et sur l'impulsion transverse manquante permettent de définir des régions de signal adaptées aux différents modèles étudiés.
  • Extraction de limites pour les différents modèles possibles de production de quarks top de même signe.

Contributeurs

  • Simon Berlendis, Doctorant (2014-2017)
  • Annick Lleres, DR-CNRS (groupe ATLAS LPSC)
  • Christopher Smith, CR-CNRS (groupe théorie LPSC)

Publications

  • Search for exotic production of top quarks decaying into same-sign leptons at 13 TeV with the ATLAS detector, Simon Berlendis, Fourth Annual Large Hadron Collider Physics, 13-18 June 2016, Lund (Sweden)
  • Search for new phenomena using events with b-jets and a pair of same-charge leptons in 3.2 fb-1 of pp collisions at sqrt(s)=13 TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2016-032
  • Search for supersymmetry with two same-sign leptons or three leptons using 13.2 fb-1 of sqrt(s)=13 TeV pp collision data collected by the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2016-037
  • Search for supersymmetry at sqrt(s)=13 TeV in final states with jets and two same-sign leptons or three leptons with the ATLAS detector, Eur. Phys. J. C76 (2016) 259
  • Search for supersymmetry in final states with two same-sign or three leptons and jets using 36 fb-1 of sqrt(s)=13 TeV pp collision data with the ATLAS detector, JHEP09(2017)084
  • Search for pair production of new particles in ATLAS, Simon Berlendis, 6th International Conference on New Frontiers in Physics, 17-29 August, Kolymbari (Greece)

Thèses

  • Recherche de la production exotique de paires de quarks top de même signe au LHC avec le détecteur ATLAS, Simon Berlendis, Université Grenoble Alpes, 21 septembre 2017 (direction Annick Lleres/Christopher Smith), CERN-THESIS-2017-174

 

The ATLAS physics validation group is responsible for the validation of the tools which are used for simulating and reconstructing ATLAS events. This is a crucial quality control to insure that the physical observables that are used in all the ATLAS physics analysis are correct. Each performance group (electron, muon, jet, ...) and each physics group (Higgs, exotics, top, ...) contributes to the physics validation group in order to test a large range of observables in events which display a variety of kinematic properties.

 

 

  • Marie-Hélène Genest (Co-convener November 2013 - March 2015)
    • Related plenary talks, restricted to ATLAS members:
      • MC15 status (slides), ATLAS Weekly, 17/03/2015.
      • Physics validation (slides, video), ATLAS Week, 12/02/2014
  • Mengqing Wu (December 2012-December 2013): validation for the supersymmetry group

 

Jérôme Fulachier - Fabian Lambert - Jérôme Odier

The ATLAS group of LPSC is widely committed to the experiment software. This committment is realised in two types of projects.

A first team, comprising the engineers of the group, is specialized in databases. They have developed two software tools used by the whole collaboration: Tag Collector and AMI. Tag Collector manages the releases of the ATLAS data simulation and reconstruction software. AMI is a tool allowing the access to the metadata relevant for each data sample (be it simulated or real data).

LPSC ATLAS Metadata Web Interface (AMI, Tag Collector, ....)

 

 

A second team, made of physicists, was committed to the LAr calorimeter software (see "Former Activities" section) and is now involved in the jets reconstruction and software validation (see dedicated sections).

General context

Approximately 85% of the mass contents of the universe is in the form of dark matter, which could be composed of new particles. The search for such particles, which could eventually be produced in the proton-proton collisions at the LHC, is underway with the ATLAS detector. These searches have so far mostly focused on supersymmetric particles, whose decay chains contain dark matter candidates (for ex. the neutralinos), and on the direct production of dark matter particles in so-called "simplified" models by looking for mono-X final states (where X=jet, photon, W/Z/H boson – see Figure 1).

The LPSC group has mainly participated in supersymmetry searches in Run-1 [1,3] and in simplified model searches [a,b,c,d,e] afterwards, especially by contributing to the mono-photon channel searches [2,4,5] and to the combination of the various search channels [6] (see Figure 1).

                                                                                                                           diagrams

Picture3.png

Figure 1 : Above : production of a dark matter particle pair through a Z' mediator, accompanied by an object X coming from initial radiation (left) or production of a resonant pair of fermions through the same mediator (right). Below : complementarity of the various seach channels in the plane of the mediator mass versus the dark matter particle mass, which depends on the coupling of the mediator to quarks (gq), leptons (gl), and dark matter particles (gchi).

With the start of Run-3 in 2022, it will be possible to strenghten the limits provided by these types of searches [f], but the discovery space beyond the already existing limits will be reduced. It is therefore important to cover less explored scenarios which require a very good understanding of the objects in the detector, understanding which can now benefit from many years of data taking. One of these scenarios is the existence of a 'hidden' or 'dark' sector (including a dark matter candidate) which can be evinced by the presence of jets with unusual characteristics of their associated inner detector tracks and/or of their calorimeter energy deposition pattern, as these jets come from the decay of dark-sector particles which can have long lifetimes. The focus of the group is now on these types of searches.

Prospectives for the next few years

The group has hence started to focus on the search for jets from the dark sector with the ATLAS detector, in the context of dark matter searches. The work first focuses on the searches with the full Run-2 dataset and on the definition of benchmarks through the Snowmass2021 exercise [7].

If these do not reveal any sign of new physics, the work will then focus on identifying possible weaknesses in the parameter space coverage in order to prepare the Run-3 searches. This will necessarily include work on the peculiar jet performances (general jet performances, displaced vertices associated to atypical calorimeter energy deposition, possibility of new triggers,...), which will necessitate validation in the first Run-3 data.

An ANR project has been approved in 2021 on this topic, see this link

Team

Current team :

Previous members : see the theses and internships

Bibliography

Publications within the ATLAS collaboration (searches in the context of simpified models or supersymmetry):

  • [1] ATLAS Collaboration, Further search for supersymmetry at sqrt(s) = 7 TeV in final states with jets, missing transverse momentum and isolated leptons with the ATLAS detector, PRD 86 (2012) 092002, arXiv:1208.4688
  • [2] 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
  • [3] 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.
  • [4] 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.
  • [5] 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) 393,  arXiv:1704.03848.
  • [6] 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.
  • [7] G. Albouy et al (M-H. Genest & S. Kulkarni editors), Theory, phenomenology, and experimental avenues for dark showers: a Snowmass 2021 report, arXiv:2203.09503

Other publications linked to dark matter searches at the LHC:

  • [a] J. Abdallah et el. (incl. M-H. Genest), Simplified Models for Dark Matter Searches at the LHC, Phys. Dark Univ. 9-10 (2015) 8-23, arXiv:1506.03116.
  • [b] D. Abercrombie et al. (incl. M-H. Genest & M. Wu), 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.
  • [c] A. Boveia et al. (incl. M-H. Genest), 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.
  • [d] A. Albert et al. (incl. M-H. Genest), 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.
  • [e] T. Abe et al (incl. M-H. Genest), LHC Dark Matter Working Group: Next-generation spin-0 dark matter models, Phys.Dark Univ. 27 (2020) 100351,  arXiv:1810.09420
  • [f] 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.

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