Eclairer la physique au delà du Modèle Standard au Run 2 du LHC avec les photons – PhotonPortal

Le projet associe des recherches de physique au-delà du SM avec des mesures de précision des propriétés d'une particule déjà établie. Ces deux domaines - les recherches de NP, les mesures de précision - sont traditionnellement développés dans le cadre de collaborations de haute énergie-énergie par des communautés distinctes, motivées par les différents besoins de précision et de compréhension des objets dans l'état final. À cet égard, ce projet propose une approche innovante, où le même effort nécessaire pour mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs (par exemple, la masse de boson de Higgs avec les désintégrations ??, fortement dépendant de la compréhension précise du photon calibration d'échelle d'énergie) bénéficiera en même temps de recherches de phénomènes NP avec un état final similaire (par exemple de nouvelles résonances diphotoniques, ou le boson de Higgs dans des chaînes de désintégration plus complexes). Pour cette raison, nous proposons de regrouper les activités analogues des deux domaines, afin de tirer parti du travail commun nécessaire pour comprendre les événements ayant des états finaux similaires.

Le projet explore les améliorations potentielles apportées aux analyses de physique par l'utilisation de techniques modernes d'apprentissage automatique. Le lien entre les mesures de précision des propriétés du boson de Higgs et la recherche de NP est fait au biais d’une interprétation basée sur de la théorie du champ effective des résultats des mesures de précision, capable d'imposer des limites strictes au phénomènes BSM.

En 2018, analyses basées sur l'ensemble de données pp 2015-2017 à 13 TeV (80 fb-1), présentées aux conférences d’hiver et été 2018 (Moriond 2019, LHCP 2019, ICHEP 2018). Voir «Production scientifique» pour plus de détails.

Analyses basées sur l'ensemble de données pp du Run 2 du LHC à 13 TeV (échéance: 2019-2020)

ATLAS Collaboration, Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector, arXiv:1806.00425 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Measurement of the Higgs boson mass in the H->ZZ* ->4 l and H ->?? channels with sqrt(s)=13 TeV pp collisions using the ATLAS detector, arXiv:1806.00242 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Measurements of Higgs boson properties in the diphoton decay channel with 36 fb-1 of pp collision data at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector, arXiv:1802.04146 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Search for dark matter in association with a Higgs boson decaying to two photons at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector, Phys. Rev. D 96 (2017) 112004, arXiv:1706.03948 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Searches for the Z? decay mode of the Higgs boson and for new high-mass resonances in pp collisions at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector, JHEP 1710 (2017) 112, arXiv:1708.00212 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Search for new phenomena in high-mass diphoton final states using 37 fb-1 of proton--proton collisions collected at sqrt(s)=13 TeV with the ATLAS detector, Phys. Lett. B775 (2017) 105--125,arXiv:1707.04147 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Search for top quark decays t->qH, with H->??, in sqrt(s)=13 TeV pp collisions using the ATLAS detector, JHEP 10 (2017) 129, arXiv:1707.01404 [hep-ex].

ATLAS Collaboration, Search for photonic signatures of gauge-mediated supersymmetry in 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector, Phys. Rev. D97 (2018) 092006, arXiv:1802.03158 [hep-ex].

La découverte du boson de Higgs, lors de la première campagne du LHC du CERN, représente un jalon de la physique des particules. Cependant, aucune indication de phénomène au delà du Modèle Standard n'a été observée pendant cette même période où le LHC a délivré des collisions proton-proton ($pp$) à 7 et 8 TeV d'énergie dans le centre de masse. La seconde campagne du LHC a débuté en 2015: ATLAS a déjà collecté et analysé 3.2 $fb^{-1}$ de données à 13 TeV d'énergie dans le centre de masse. Un nouveau domaine de recherche est désormais ouvert avec la recherche directe de signaux de nouvelle physique. Il va permettre au meme temps des mesures de précision du secteur du boson de Higgs.

Les états finaux avec des photons auront un rôle privilégié: la signature en paire de photons permettra de rechercher un éventuel nouveau boson de type Higgs, alors que les topologies avec des paires de photons non résonantes, ou des photons uniques, en présence d'énergie transverse manquante permettront de sonder des scenarios plus exotiques. L'étude de la production du boson de Higgs, en association avec d'autres objets, constituera aussi un terrain propice à la découverte de nouvelle physique. En exploitant le canal de désintégration en une paire de photons, il sera possible alors d'isoler la production d'événements où le boson de Higgs est accompagné d'autres objets, et ainsi d'explorer la possibilité de sa production résonante ou non associée à des nouvelles particules. La collaboration ATLAS a, en particulier, présenté le résultat de recherche de résonnance dans le canal di-photon, où un excès de paires de photons, modeste mais intriguant par rapport aux prédictions du Modèle Standard, à une masse d'environs 750 GeV, est observé. La collaboration CMS a aussi présenté un excès similaire. Avec les donnés collectés en 2016, 8 à 10 fois plus qu’en 2015, il sera possible d'établir l'origine de l'excès; avec tous les données collectés au Run 2, environs 100 fb$^{-1}$ de collisions à 13 TeV d'énergie, le consortium prépare un programme riche et complète de recherches et de mesures de précision, en utilisant les photons dans les états finaux comme fil conducteur.

Ce projet est organisé autour de quatre axes de collaboration, chacun dédié à une ligne de physique, et trois tâches transverses dont le but est d'optimiser les outils d'analyse.