Response of the high granularity calorimeter HGCAL and characterisation of the Higgs boson with the CMS experiment at the LHC - Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR) Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Response of the high granularity calorimeter HGCAL and characterisation of the Higgs boson with the CMS experiment at the LHC

Réponse du calorimètre à haute granularité HGCAL et caractérisation du boson de Higgs avec l'expérience CMS au LHC

Résumé

This thesis presents a comprehensive characterisation of the properties of the Higgs boson in the four-lepton decay channel exploiting proton-proton collisions collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to 137 fb-1 recorded during the Run-II. The four lepton decay channel is also known as the “golden channel” because of its many virtues: a large S/B ratio, a completely resolved final state, and an excellent resolution.The analysis work includes an optimization of the event categories designed to measure for the first time the Stage 1.2 STXS cross sections, for a total of nineteen cross sections in mutually exclusive phase space regions, and the development of the statistical model employed for the extraction of the results.The predictions of the Standard Model (SM) are tested measuring the H->ZZ->4l (l=e,mu) inclusive signal strength modifier, defined as the ratio of the Higgs boson production cross section to the corresponding SM prediction.The measurement gives mu=0.94±0.07(stat)+0.09(syst) at mH=125.38 GeV. The signal strength modifers of each production mechanism are also measured. The cross section of the H->4l process is also measured at generator-level, unfolding the detector effects, in a fiducial volume defined to closely match the experimental acceptance. The H->4l fiducial cross section is found to be 2.84+0.23(stat)+0.26(syst) fb. Fiducial cross sections are measured in differential bins of the transverse momentum and rapidity of the Higgs boson, the number of associated jets, and the transverse momentum of the leading associated jet. The differential cross section as a function of the transverse momentum of the Higgs boson is also used to extract limits on the trilinear self-coupling of the Higgs boson for the first time using a single-Higgs decay channel. Additional studies of CP-violation and anomalous couplings of the Higgs boson to vector bosons and fermions are also presented. All the results are found to be in agreement with the SM predictions, stressing the strength of the SM and the difficulty of unveiling physics beyond the SM (BSM). In order to probe in even further detail the predictions of the SM and to give access to rare phenomena, CERN intends to commence the operations of the High-Luminosity LHC (HL-LHC) project by the end of 2027.The HL-LHC is expected to deliver 10 times the current integrated luminosity, thus enhancing the physics reach of the LHC, but also leading to a high pile-up rate and unprecendent radiation levels. Hence, a massive upgrade of the detectors is necessary to maintain the current physics performance in such a harsh environment. The CMS Collaboration will replace the current endcap calorimeters with a High Granularity Calorimeter (HGCAL), designed to provide improved discrimination power and radiation hardness in the busy environment of the HL-LHC. The HGCAL will be the very first large-scale silicon-based imaging calorimeter ever employed in a high energy physics experiment. Hence, the validation of its design and a complete assessment of its physics performance are mandatory for the success of the project. In October 2018 the first large-scale prototype of the HGCAL, comprising of O(100) modules, was exposed to test beams with energies ranging from 20 to 300 GeV at the CERN North Area. A part of this thesis was dedicated to the assessment of the performance of the electromagnetic compartment of the prototype, leading to its complete characterisation. The high granularity of the prototype is exploited to study the longitudinal and transversal containment of electromagnetic cascades, as well as to measure the position, angular, and energy resolutions. All the results are compared with a dedicated GEANT4 Monte Carlo simulation and an excellent agreement are found for all the observables studied, thus corroborating the final design of the HGCAL and the nominal physics performance expected for the HL-LHC operations.
Cette thèse présente une caractérisation complète des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration à quatre leptons exploitant des collisions proton-proton collectées à une énergie de centre de masse de 13 TeV avec l'expérience CMS au CERN LHC, correspondant à 137 fb -1 enregistré pendant le Run-II. Le canal de désintégration à quatre leptons est également connu sous le nom de « canal d'or » en raison d'un grand rapport S/B, un état final complètement résolu et une excellente résolution.Le travail d'analyse comprend une optimisation des catégories d'événements conçues pour mesurer pour la première fois les sections efficaces de le Stage 1.2 STXS, pour un total de dix-neuf sections efficaces dans des régions d'espace de phase mutuellement exclusives, et le développement du modèle statistique utilisé pour l'extraction de les résultats.Les prédictions du modèle standard (SM) sont testées en mesurant le modificateur d'intensité de signal inclus H->ZZ->4l (l=e,mu), défini comme le rapport de la section efficace de production du boson de Higgs à la prédiction SM correspondante.La mesure donne mu=0,94±0,07(stat)+0,09(syst) à mH=125,38 GeV. Les modificateurs d'intensité de signal de chaque mécanisme de production sont également mesurés. La section efficace du processus H->4l est également mesurée au niveau du générateur, déployant les effets du détecteur, dans un volume de référence défini pour correspondre étroitement à l'acceptation expérimentale. La section transversale de référence H->4l est de 2,84+0,23(stat)+0,26(syst) fb. Les sections efficaces de référence sont mesurées dans des bacs différentiels plusieur observables. La section efficace différentielle en fonction de la quantité de mouvement transverse du boson de Higgs est utilisée pour extraire pour la première fois les limites de l'auto-couplage trilinéaire du boson de Higgs en utilisant un canal de désintégration de single-Higgs. Des études supplémentaires de la violation de CP et des couplages anormaux du boson de Higgs aux bosons vecteurs et aux fermions sont également présentées. Tous les résultats sont en accord avec les prédictions du SM, soulignant la force du SM et la difficulté de dévoiler la physique au-delà du SM (BSM). Afin de sonder encore plus en détail les prédictions du SM et de donner accès à des phénomènes rares, le CERN a l'intention de démarrer les opérations du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC) d'ici la fin 2027.Le HL-LHC devrait fournir 10 fois la luminosité intégrée actuelle, améliorant ainsi la portée physique du LHC, resultant en un taux de pileup élevé et à des niveaux de rayonnement sans précédent. Une mise à niveau massive des détecteurs est nécessaire pour maintenir les performances physiques actuelles dans un environnement aussi difficile. La collaboration CMS remplacera les calorimètres des endcaps par un calorimètre à haute granularité (HGCAL). Le HGCAL sera le premier calorimètre à grande échelle à base de silicium jamais utilisé dans une expérience de physique des hautes énergies. Par conséquent, la validation de sa conception et une évaluation complète de ses performances physiques sont obligatoires pour la réussite du projet. En octobre 2018, le premier prototype à grande échelle du HGCAL a été exposé à des faisceaux d'essai avec des énergies entre 20 e 300 GeV. Une partie de cette thèse a été consacrée à l'évaluation des performances du compartiment électromagnétique du prototype, conduisant à sa caractérisation complète. La haute granularité du prototype est exploitée pour étudier le confinement longitudinal et transversal des cascades électromagnétiques, ainsi que pour mesurer les résolutions positionnelle, angulaires et énergétiques. Tous les résultats sont comparés avec une simulation Monte Carlo GEANT4 dédiée et un excellent accord est trouvé pour toutes les observables étudiées, corroborant ainsi la conception finale du HGCAL et les performances physiques nominales attendues pour les opérations HL-LHC.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03497358 , version 1 (20-12-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03497358 , version 1

Citer

Matteo Bonanomi. Response of the high granularity calorimeter HGCAL and characterisation of the Higgs boson with the CMS experiment at the LHC. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAX078⟩. ⟨tel-03497358⟩
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