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Candidate Higgs et Analyse de Masse et Parité-Spin – CHAMPS

Candidat Higgs et Analyse de Masse et Parité-Spin

Mesure des propriétés du boson de Higgs dans des états finaux multileptons avec une technique de Matrix Element au Next-to-Leading Order

Développement et déploiement de techniques d'analyse innovantes pour mesurer précision les propriétés du nouveau boson au LHC à haute énergie et luminosité.

La récente découverte d’un boson de Higgs (H) est une avancée majeure dans la compréhension des interactions fondamentales. La mesure précise de ses propriétés (masse, largeur, nombres quantiques, couplages aux champs fondamentaux) est la seule manière de révéler sa vraie nature et de comprendre s’il est responsable de la brisure de symétrie électrofaible mais aussi s’il est une porte vers une Nouvelle Physique. <br />Le but de ce projet est de développer et déployer des techniques d’analyse innovantes afin de produire les mesures les plus précises du boson de Higgs, via les états finaux leptoniques les plus prometteurs (H->ZZ->4 leptons, H->2 taus), au LHC, à des énergies et luminosité jamais atteintes (Run II, à partir de 2015).

Il consiste à produire des chaines d’analyse complètes, du système de déclenchement à l’interprétation statistique, avec :
- Des algorithmes de déclenchement innovants exploitant la nouvelle architecture du système de Niveau 1 de CMS,
- Des nouveaux algorithmes de reconstruction des leptons, adaptés aux nouvelles conditions de prises de données et intégrés dans une description globale des évènements enregistrés par CMS.
- Le déploiement d’une nouvelle approche des techniques d’Elements de Matrice au Next-to-Leading-Order pour la mesure des propriétés du boson de Higgs.

- une nouvelle méthode d’estimation de l’énergie des électrons mesurée par le calorimètre électromagnétique (ECAL) à l’aide d’une technique de régression multivariée (MVA). Nouveau MVA combinant au mieux la mesure ECAL et celle provenant du trajectographe afin d'obtenir ainsi la meilleure résolution sur l’impulsion des électrons (amélioration de 30%). - - Algorithmes innovants pour la nouvelle architecture du système de déclenchement de Niveau 1 pour les électrons, les photons et les taus : clustering dynamique, utilisation des formes de gerbe pour séparer électrons et jets, isolation pour le contrôle du taux, estimation et correction de l’empilement.
- Version préliminaire d'une Matrix Element Method au Leading Order pour H->TauTau.

Le résultat le plus important obtenu jusqu'à présent sont les performances des algorithmes L1 par rapport au système actuel :
- 30% d'amélioration pour la résolution en énergie,
- un facteur 4 d'amélioration pour la résolution en position.
- un taux de déclenchement réduit d'un facteur 2.
L'implémentation dans le firmware des cartes d'électronique est en cours. Elle sera validée en 2015 et les algorithmes déployés totalement en 2016.

La MEM au LO pour H->TauTau sera déployée en 2015 dans une chaine d'analyse complète, pour une publication en 2016.
Le mode de production VBF sera obsevée en 2016 à la fois dans H->ZZ->4 leptons et H->TauTau grâce aux techniques MEM développés par ce projet.

Les résultats obtenus par le groupe ont été inclus dans plusieurs publications :

[1] S. Chatrchyan et al. [CMS Collaboration], Phys. Rev.D 89 (2014) 9, 092007 [arXiv:1312.5353 [hep-ex]]
[2] V.Khachatryan et al. [CMS Collaboration], S

La récente découverte d'un nouveau boson X par les deux expériences (ATLAS et CMS) du Large Hadron Collider (LHC) est une avancée majeure pour la compréhension des interactions fondamentales. Elle pourrait aider à élucider la nature du mécanisme de la brisure spontanée de la symétrie électrofaible, présumé responsable de l'apparition de la masse des particules élémentaires aux premiers temps de l'Univers.
Les canaux de désintégration en leptons chargés dans l'état final offrent les meilleures opportunités pour une étude exhaustive des propriétés de ce nouveau boson. Le canal X-> ZZ*-> 4l (où l est un electron ou un muon) est le "canal en or" pour la découverte. Il permet de déterminer tout seul sa masse mX de manière très précise. It permet de plus une détermination des états de spin-parité (S^CP) en exploitant la cinématique de désintégration dans le centre de masse de la résonance. Le canal X->2 taus est essentiel pour établir l'existence de couplages directs du nouveau boson aux leptons. Le couplage au lepton tau est le seul couplage au lepton potentiellement accessible au LHC dans l'échelle de temps ce ce projet. Il permet de plus d'obtenir une bonne sensibilité à S^CP grâce à l'étude de la polarisation des taus, tout en offrant une sensibilité non-négligeable à mX.
Les modes de production du boson X peuvent être distingués expérimentalement d'une manière assez claire à la fois dans les canaux X-> ZZ* -> 4l et X -> 2 taus, par la présence de jets ou de leptons additionnels. En particulier, la distinction entre la production par fusion de gluons (au travers de boucles virtuelles de quarks tops) et celle par production associée de boson vecteur W ou Z ou celle par fusion de boson vecteur (ZZH et WWH) est particulièrement importante pour les contraintes sur les couplages.
Le but de ce projet très ambitieux est de développer et de déployer des puissantes techniques innovantes d'analyse afin de produire les meilleures mesures des propriétés du nouveau boson, via les états finaux leptonqiues, au LHC à des énergies et une luminosité plus élevées. Il consiste à produire pour la première fois au LHC une chaîne d'analyse avec des nouvelles techniques de reconstruction de leptons incorporées dans une description globale des évènements , le tout, inséré dans une interprétation complète via des une nouvelle approche des techniques d'Elements de Matrices au Next-to-Leading Order. Ce projet bénéficiera de l'expertise unique en Europe du Laboratoire Leprince Ringuet (LLR) à l'Ecole Polytechnique et de ses collaborateurs au Fakultet elektrotehnike strojarstva i brodogradnje (FESB) à Split (Croatie), sur les leptons (reconstruction, identification et isolation) ainsi que sur les analyses X-> ZZ*->4l and X ->2 tau dans l'expérience CMS au LHC.

Coordinateur du projet

Laboratoire Leprince Ringuet (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Laboratoire Leprince Ringuet
CNRS DR ILE DE FRANCE SUD

Aide de l'ANR 188 302 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2013 - 48 Mois

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