Développement de nouveaux algorithmes de jets Optimisation de leurs paramètres au LHC – Jets4LHC

Dans les collisionneurs, les quarks et gluons produits dans l'état final se développent en faisceaux collimatés de particules, appelés "jets". Leur identification en tant qu'un objet unique plutôt que des particules individuelles (comme p.ex. pour un muon dur) est ce qui permet d'accéder aux parton primaires produits lors de la collision. En d'autres termes, les jets sont des objets fondamentaux lors de l'étude de l'état final car ils sont une vue directe de la collision initiale.

En pratique, il n'est pas assez précis de définir les jets comme des "faisceaux collimatés de particules". On utilise une "définition de jets" i.e. un algorithme et ses paramètres qui reconstruisent les jets à partir des particules de l'événement. Aux collisionneurs modernes, tels que le LHC qui vient de démarrer au CERN, tous les événements passent par une définition de jets.

L'étude de ces objets capitaux occupe une large communauté depuis une trentaine d'années. Certains problèmes fondamentaux n'ont été résolus que récemment, comme la question de la sécurité infrarouge et colinéaire qui a donne naissance à l'algorithme anti-kt, auquel j'ai contribué, et qui est actuellement le choix par défaut des collaborations ATLAS et CMS.

Le LHC couvrira des échelles d'énergies s'étalant sur plusieurs ordres de grandeur. Ceci nécessite les meilleures définitions de jets possible afin d'utiliser aux mieux l'étendue de ses capacités. Cela passe par le développement de nouvelles définitions, de nouveaux outils, i.e., de nouvelles techniques permettant une vue approfondie des événements afin d'en extraire l'information la plus riche possible. C'est ce qui constitue les objectifs de ce projet.

Ces objectifs s'appliquent à de nombreux processus, dans et au-delà du modèle standard. Nos deux premières tâches sont articulées
autour de cette logique: nous débuterons par l'étude des di-jets, suffisamment simples et flexibles pour constituer un excellent cadre de recherche, puis étendrons nos résultats au cas multi-jets particulièrement intéressant pour les recherches de nouvelle physique au LHC. De plus, les jets étant utilises tant pour les applications phénoménologiques que pour les analyses expérimentales, notre 3eme tâche vise à produire du code informatique rendant nos résultats utilisable par toute la communauté.

Même si les jets sont utilisés dans tous types d'analyses et particulièrement les recherches de physique nouvelle, ils restent par essence des objets de la QCD. Notre travail s'inscrit donc dans la théorie des interactions fortes. Notre ligne de pensée directrice est de fournir une compréhension analytique, basée sur les principes fondamentaux de la QCD, une étape souvent négligée par une utilisation intense de simulations Monte Carlo. Bien que ces dernières soient souvent incontournables, nous croyons qu'une meilleure compréhension analytique se traduirait par des résultats de portée plus générale et une meilleure prédictibilité.

Enfin, nous envisageons deux directions principales pour remplir nos objectifs. Il est notoire que les collisions hadroniques produisent un bruit de fond hadronique substantiel, l'Underlying Event, qui pollue la reconstruction des jets. Notre première direction vise à développer des algorithmes aussi peu sensible à ce bruit de fond que possible, p.ex. en ayant recours à des techniques de sous-jets. Ceci a comme avantage un meilleur rapport signal/bruit et donc un meilleur potentiel découverte.

Notre seconde direction consiste à contraindre les paramètres des définitions de jets, comme leur ouverture R rencontrée couramment, à partir des caractéristiques des événements (échelles dures ou de l'Underlying Event). Cela éviterait une détermination empirique, améliorant la flexibilité des algorithmes.

En résumé, notre projet vise à améliorer l'analyse de l'état final au LHC, pour la recherche de nouvelle physique, mais aussi pour le cas complexe de définitions des jets dans les collisions d'ions lourds.