Recherche de la diffusion de boson vecteur dans le canal semi-leptonique avec le détecteur CMS et études sur la classification de gerbes électromagnétiques avec HGCAL - École polytechnique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Search for Vector Boson Scattering in semileptonic decay at CMS and studies on HGCal trigger electromagnetic shower classification

Recherche de la diffusion de boson vecteur dans le canal semi-leptonique avec le détecteur CMS et études sur la classification de gerbes électromagnétiques avec HGCAL

Alexandre Hakimi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1256980
  • IdRef : 270085548

Résumé

This thesis presents the search for the vector boson scattering (VBS) process in the ZV semi-leptonic channel exploiting data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS detector at CERN's LHC between 2016 and 2018. This process is particularly interesting to study because it is intimately linked to the mechanism of the electroweak spontaneous symmetry breaking. It also provides direct access to the quartic coupling between vector bosons. Possible deviations from the predictions of the standard model could indicate the presence of new physics.The analysis work includes the definition of a signal-enriched phase space minimizing backgrounds contributions, based on the characteristic signature of VBS events at the LHC. To maximize the sensitivity to this rare process, different categories are established according to the topology of the jets issued from the hadronic Z or W boson decay, as well as the presence or absence of b-quark jets in the event. The extraction of the signal requires a precise knowledge of the background processes that can produce similar final states, as well as their accurate modeling. Corrections are applied to account for discrepancies between simulation and real data, and a data-driven procedure is implemented to correct the distributions. An optimization of neural networks combining the most discriminating variables to isolate the signal is performed. The statistical procedure used to search for this VBS channel, taking into account the various sources of uncertainties, provides an expected statistical significance of 1.9 σ.The data collected so far by CMS are therefore not sufficient to confirm the observation of rare phenomena such as this VBS channel. This is why CERN is planning a higher luminosity phase (HL-LHC) for the end of the decade, which will provide a tenfold increase in the data set in about ten years. These improvements will provide greater sensitivity to rare physics phenomena and better measurements precision, but will also lead to an increase in the radiation received by the detectors and a higher pileup rate. An upgrade of the detectors is therefore required to face these new challenges. In particular, the CMS collaboration plans to replace the endcap calorimeters with a High Granular Calorimeter (HGCAL). Based on a silicon detector technology known for its radiation-hardness, it will offer the finest segmentation ever achieved for a calorimeter, providing effective pileup rejection. The information from HGCAL will be notably used for the new CMS Level 1 trigger system (L1T). Part of this thesis work focuses on the optimization of these triggering primitives for the identification of electromagnetic showers. Constraints due to the detector architecture are taken into account in a multi-objective optimization procedure. In particular, the machine learning algorithms should not use too many resources of the FPGA boards on which they are implemented, and the size of the data communicated by the HGCAL must be limited so as not to exceed the bandwidth to the L1T. The results show that it is possible to maintain satisfactory identification performance while satisfying these limitations imposed on the system.
Cette thèse présente la recherche du processus de diffusion de boson vecteur dans le canal ZV semi-leptonique en exploitant les données de collisions proton-proton à une énergie du centre de masse de 13 TeV récoltées par le détecteur CMS au LHC du CERN entre 2016 et 2018. Ce processus est particulièrement intéressant à étudier car il est intimement lié au mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible. Il offre également un accès direct au couplage quadratique entre bosons vecteurs. D’éventuels écarts aux prédictions du modèle standard pourraient indiquer la présence de nouvelle physique.Le travail d’analyse comprend la définition d’un espace des phases enrichi en signal et minimisant le bruit de fond, en se basant sur la signature caractéristique des événements VBS au LHC. Pour maximiser la sensibilité à ce processus rare, différentes catégories sont établies en fonction de la topologie des jets issus de la désintégration hadronique du boson Z ou W, ainsi que de la présence ou non de jets issus de quark b dans l'événement. L’extraction du signal requiert une bonne connaissance des bruits de fond pouvant reproduire le même état final, ainsi que leur modélisation précise. Des corrections sont appliquées pour tenir compte des divergences entre les simulation et les données réelles, et une procédure de correction des distributions basée sur les données est mise en place. Une optimisation de réseaux de neurones combinant les variables les plus discriminantes pour isoler le signal est réalisée. La procédure statistique utilisée pour réaliser l’observation du canal VBS, tenant compte des diverses sources d’incertitudes, fournit une puissance statistique attendue de 1.9 σ.Les données récoltées à ce jour par CMS ne sont donc pas suffisantes pour confirmer l’observation de phénomènes rares comme certains canaux VBS. C’est pourquoi le CERN prévoit pour la fin de la décennie une phase à plus haute luminosité (HL-LHC), fournissant en une dizaine d’années un jeu de données dix fois plus grand. Cette amélioration permettra une sensibilité accrue aux phénomènes de physique rares, ainsi qu’une meilleure précision des mesures réalisées, mais provoquera aussi une augmentation des radiations reçues par les détecteurs et un taux d’empilement plus élevé. Une mise à niveau des équipements est donc requise pour faire face à ces nouveaux défis. La collaboration CMS prévoit notamment de remplacer les calorimètres des bouchons par un calorimètre hautement granulaire (HGCAL). Basé sur une technologie de détecteurs au silicium connus pour leur résistance aux radiations, il offrira la plus fine segmentation jamais atteinte pour un calorimètre, permettant ainsi de rejeter efficacement les interactions dues à l’empilement. Les informations du HGCAL seront notamment utilisées pour le nouveau système de déclenchement de niveau 1 (L1T) de CMS. Une partie du travail de cette thèse porte sur l’optimisation de ces primitives de déclenchement pour l’identification de gerbes électromagnétiques. Les contraintes dues à l’architecture du détecteur sont prises en compte dans une procédure d’optimisation multi-objectifs. En particulier les algorithmes d’apprentissage machine ne doivent pas utiliser trop de ressources des cartes FPGA sur lesquelles ils sont implémentés, et la taille des données communiquées par le HGCAL doit être limitée pour ne pas excéder la bande passante vers le L1T. Les résultats montrent la possibilité de conserver des performances d’identification satisfaisantes tout en satisfaisant ces limites imposées sur le système.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04106669 , version 1 (25-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04106669 , version 1

Citer

Alexandre Hakimi. Recherche de la diffusion de boson vecteur dans le canal semi-leptonique avec le détecteur CMS et études sur la classification de gerbes électromagnétiques avec HGCAL. Physique des accélérateurs [physics.acc-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2022. Français. ⟨NNT : 2022IPPAX132⟩. ⟨tel-04106669⟩
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