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

 

Le groupe de validation physique d'ATLAS est responsable de valider les outils qui servent à la simulation ainsi qu'à la reconstruction des événements d'ATLAS. C'est une tâche cruciale pour l'expérience puisque cela permet de vérifier que les observables physiques qui sont utilisés dans toutes les analyses ATLAS sont de bonne qualité. Chaque groupe de performance (électron, muon, jet, ...) ainsi que chaque groupe de physique (Higgs, exotique, top, ...) y est représenté afin de tester un large spectre d'observables dans des événements aux propriétés cinématiques variées.

 

  • Mengqing Wu (décembre 2012-décembre 2013): validation pour le groupe de supersymétrie

 

Jérôme Fulachier - Fabian Lambert - Jérôme Odier

Le groupe ATLAS du LPSC est largement impliqué dans le software de l'experience. Cette implication se concrétise en deux types de projets.

Une première équipe de travail, constituée par les ingénieurs du groupe, est spécialisée dans les bases de données. Elle a conçu et réalisé deux logiciels utilisés par l'ensemble de la collaboration : Tag Collector et AMI. Tag Collector est un logiciel de gestion des "release" des programmes de simulation et de reconstruction des données ATLAS. AMI est un outil d'accès aux meta-données qui accompagnent chaque lot de données simulées ainsi que de données réelles.

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

 

 

Une seconde équipe, formée par les physiciens, était impliquée dans le code du calorimetre à Argon liquide (voir la rubrique "Anciennes activités") et est maintenant impliquée dans le logiciel de reconstruction des jets et dans la validation (voir rubrique spécifique).

Contexte général

Environ 85% du contenu en masse de l’univers est sous une forme encore inconnue, appelée matière noire. La recherche de particules candidates à la matière noire, qui pourraient être produites dans les collisions proton-proton au LHC, est en cours avec l’expérience ATLAS. Ces recherches se sont à présent concentrées principalement sur les particules supersymétriques dont la cascade de désintégration contient des neutralinos et sur la production directe de matière noire dans des modèles dits simplifiés de type mono-X (où X=jet, photon, boson W/Z/H – voir la Figure 1).

Le groupe du LPSC s’est principalement concentré sur la recherche de supersymétrie au Run-1 [1,3] et sur les modèles dits « simplifiés » [a,b,c,d,e] par la suite, notamment à travers le canal mono-photon [2,4,5] et la combinaison des différents canaux [6] (voir la Figure 1).

 

                                                                                                                           diagrams

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Figure 1 : En haut : production d’une paire de particules de matière noire à travers un médiateur Z’, accompagné d’un objet X issu de la radiation initiale (gauche) ou production d’une résonance de fermions à travers ce même médiateur (droite). En bas : complémentarité des différents types de recherche de matière noire dans le plan de la masse du médiateur versus la masse de la matière noire, dépendant des couplages du médiateur aux quarks (gq), leptons (gl), et particules de matière noire (gchi).

Avec le Run-3 qui démarrera en 2022, il sera possible de repousser les limites dans ces types de recherche [f], mais le champ de découverte au-delà des limites déjà placées sera restreint. Il est donc important d’également couvrir des scénarios moins bien explorés qui demandent une très bonne maîtrise des objets dans le détecteur, maîtrise qui s’appuie sur des années de bon fonctionnement. Un scénario envisagé est l’existence d’un secteur ‘caché’ ou ‘sombre’ (contenant un candidat à la matière noire) se manifestant dans le détecteur par des jets aux caractéristiques inhabituelles, tant au niveau des traces associées dans le détecteur interne qu’au développement de la gerbe dans les calorimètres suite à la désintégration des particules du secteur sombre qui peuvent avoir de longs temps de vie. C’est sur ce sujet que le groupe travaille désormais.

Perspectives à horizon 2-3 ans

Le travail déjà débuté et qui continuera dans les années à venir porte donc sur la recherche de signatures de jets provenant du secteur sombre avec le détecteur ATLAS, dans le cadre de la recherche de candidats à la matière noire. Le travail porte en premier lieu sur la recherche de telles particules avec l’ensemble des données du Run-2 et sur la définition de benchmarks à travers l'exercice Snowmass2021 [7].

Si aucun signe de nouvelle physique n’est trouvé, le travail portera ensuite sur l’identification des zones de paramètres moins bien couvertes afin de préparer les recherches pour le Run-3. Cela inclura nécessairement du travail de performance sur les signatures de jets particuliers (performances des jets, détection de vertex déplacés dans le détecteur interne associés à des dépôts d’énergie potentiellement atypiques dans les calorimètres, possibilités de nouveaux triggers…) incluant une utilisation des toutes premières données du run-3.

Un projet ANR sur cette thématique a été approuvé en 2021, voir ce lien

Équipe

Équipe actuelle :

Anciens membres : voir les thèses et stages

Bibliographie

Publications ATLAS (recherche dans le cadre de modèles simplifiés ou de la supersymétrie):

  • [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

Autres publications reliées à la recherche de matière noire au 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.

Matériel additionnel

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