A highly granular semi-digital hadron calorimeter for a future linear e + e − collider and a model independent Higgs boson measurement in the ZH→qq+X channel
Calorimétrie hadronique semi-digital super-granulaire pour un future collisineur linéaire e+e-, et mesure independente du model du Boson de Higgs dans le canal ZH→qq+X
Résumé
The International Linear Collider (ILC) is a concept for a linear electron-positron accelerator
with a centre-of-mass energy of up to 1 TeV. Its main purpose is the precise measurement of
particles discovered by the LHC such as the Higgs boson particle. The International Large
Detector (ILD) is one of its detector concepts, specifically designed for the usage of Particle
Flow Algorithms requiring highly granular calorimeters. Within the CALICE collaboration,
several prototypes of such calorimeters, exploring different technologies, have been developed
and tested. This thesis focuses on one of them: a semi-digital hadron calorimeter (SDHCAL)
equipped with Glass Resistive Plate Chambers (GRPC) sensors. It is a sampling calorimeter
composed of 48 layers segmented in cells of one square centimetre for a total of half a millions
channels. The first part of the present thesis describes the analysis of the data taken during
beam tests at CERN, in which the detector was operated in a trigger less mode; saving of all
incoming information in local memory. Thus an event-builder was devloped and used to extract
physics events using new algorithm based on a time clustering methods.
A detailed study of the SDHCAL quality of the detector in term of detection efficiency and pad
multiplicity, is performed by a well-reconstructed muons tracks using the imaging capability
of the detector. Additionally, a method to measure the induced charge spectrum and the
electronic avalanche size in the GRPC sensors is presented, which allows the extraction of the
key parameters required to tune an accurate detector simulation. The information acquired
by the muons reconstruction was also used to improve the calorimeter response to the pions
with a visible impact on its resolution. The sensor’s and the electronics’s response needs to be
modelled for the Monte Carlo simulation (using GEANT-4) in a so-called ”digitisation” module;
we developed a general digitisation method which can be applied to various high granular
gaseous sensors. It has been successfully tested with GRPC and MicroMegas detectors. After
this detailed study of the characteristics of our calorimeter, the response to pions is then treated.
The test beam at CERN provide a large sample of pions of different energy ranging between 5
to 80 GeV. A detailed selection is applied to choose the hadronic showers, exploring new kind
of identification variable such as fractal dimension and hit density. The selected pions are then
used for the calibration of the calorimeter in term of linearity and energy resolution.
To assess the performance in the full ILD configuration, the second part of this thesis is devoted
to the investigation of the model independent Higgs boson production associated with the ZH
process. The final state is characterised by the presence of at least two jets originating from a
Z boson beside the Higgs decay products. In order to perform a model independent measure-
ment, the events selection does not constrain Higgs boson decaying modes. The hadronic Z
decay is characterised by a high branching ratio with respect to the leptonic one, providing an
increase of the statistics of about a factor of ten. In addition, the model-independent context
may pinpoint a deviation from the SM expectations of Higgs boson decays. The first analysis
demonstrated the feasibility of the model-independent Higgs tagging using the hadronic decay
of the Z boson at 250GeV. This was achieved using boosted decision trees implemented in
the Toolkit for Multivariate Analysis (TMVA). Further investigation demonstrated the impor-
tance of the beam polarisation the sensitivity of this channel and for the background reduction
allowing the measurement of the ZH process cross section with 2% of precision.
Le collisionneur linéaire international (ILC) est le concept d'un accélérateur d'électrons-positrons linéaire avec une énergie dans le centre de masse allant jusqu'au TeV. Son but est la mesure de haute précision des propriétés des particules découvertes par le LHC, en particulier celles du boson de Higgs. L'ILD est l'un des concepts de détecteurs spécialement conçus pour l'utilisation de l'algorithme de suivis des particules (PFA) nécessitant une calorimétrie très granulaire. Dans le cadre de la collaboration CALICE, quelques prototypes de calorimètres, explorant des technologies différentes, ont été développés et testés en faisceau. Cette thèse se concentre sur l'un d'eux: un calorimètre hadronique semi-digital (SDHCAL) basé sur des chambres à plaques résistives (GRPC). Il est composé de 48 couches segmentée en cellules d'un centimètre carré pour un total de 500 000 canaux, lues de façon sommaire (en 3 seuils).
La première partie de cette thèse se focalise sur l'analyse des données recueillies pendant les tests en faisceau au CERN, dans lequel le détecteur a fonctionné en mode d'auto-déclenchement; enregistrant toutes les informations entrantes dans le détecteur. Une méthode de reconstruction d’événement a été développée qui permet d'extraire les événements physiques utilisant un nouvel algorithme basé sur une méthode de regroupement temporel. Une étude détaillée de la qualité du SDHCAL en terme d'efficacité de détection et multiplicité des cellules touchées, est effectuée utilisant des traces de muons reconstruits avec le détecteur. Un procédé pour mesurer le spectre de charge induite et la taille de l'avalanche électronique dans les capteurs GRPC est aussi présentée. L'extraction de ces paramètres clés est nécessaire pour une simulation précise du détecteur. La réponse des capteurs et de l'électronique d'acquisition doit être modélisés pour la simulation Mote-Carlo (avec GEANT-4) dans un module dit de "digitisation"; un procédé de digitisation générale a été développé au cours de cette thèse, qui peut être appliquée à divers capteurs gazeux a granularité élevée. Il a été testé avec succès sur les GRPC et les MicroMegas. La réponse aux pions est ensuite traitée. Les tests faisceau au CERN fournissent un grand échantillon de pions d'énergie allant de 5 à 80 GeV. Une sélection fine des gerbes hadroniques est appliqué, a l'aide de nouveaux type de variables d'identification telles que la dimension fractale des gerbes. Les pions ainsi sélectionnés sont ensuite utilisés pour l'étalonnage du calorimètre en terme de linéarité et de résolution en énergie. L'information acquise par la reconstruction des muons a été également utilisée pour améliorer la réponse du calorimètre aux pions avec un impact visible sur sa résolution.
Pour évaluer les performances dans une configuration complète d'un grand détecteur, la deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'étude du mode production du boson de Higgs associé au processus ZH avec l'ILD. L'état final recherché est caractérisé par la présence d'au moins deux jets provenant de boson Z à côté des produits de désintégration du Higgs. Pour effectuer mesure indépendante du Higgs, la sélection des événements ne contraint pas les modes de désintégration du Higgs. Le boson Z étant caractérisée par un rapport d'embranchement hadronique plus élevé par rapport à celui leptonique, il offre une meilleure statistique. En outre, le contexte d'indépendance au modèle du boson de Higgs peut identifier des éventuels écarts par rapport aux attentes du modèle standard de la physique des particules. La première analyse consiste à la démonstration de la faisabilité du marquage du boson de Higgs en utilisant la désintégration hadronique du boson Z. Ceci a été réalisé en utilisant des arbres de décision boostés (BDT). Une analyse plus poussée démontre l'importance de la polarisation du faisceau sur sensibilité de ce canal et pour la réduction du bruit de fond, et ainsi prédire une mesure de la section efficace du processus de ZH avec une précision de 2\%.