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CPPM T 2010 05
UNIVERSITÉDELAMÉDITERRANÉEAIX MARSEILLEII
FACULTÉDESSCIENCESDELUMINY
163avenuedeLuminy
13288MARSEILLECedex09
THESEDEDOCTORAT
Spécialité:PhysiqueetSciencesdelaMatière
Mention:PhysiquedesParticulesetAstroparticules
présentépar
DavidJamin
envued’obtenirlegradededocteurdel’UniversitédelaMéditerranée
RecherchedubosondeHiggsduModèleStandard
¯danslecanaldedésintégrationZH→ννb¯ b
surlecollisionneurTevatrondansl’expérienceDØ
Développementd’uneméthoded’étiquetage
desjetsdequarksb
avecdesmuonsdebassesimpulsionstransverses
soutenuele30Septembre2010devantlejurycomposéde
Dr. D.Bloch Rapporteur
Dr. A.Duperrin Directeurdethèse
Prof. F.Feinstein Rapporteur
Dr. J.F.Grivaz Présidentdujury
Dr. E.Kajfasz Co DirecteurdethèseCPPM T 2010 05
UNIVERSITÉDELAMÉDITERRANÉEAIX MARSEILLEII
FACULTÉDESSCIENCESDELUMINY
163avenuedeLuminy
13288MARSEILLECedex09
THESEDEDOCTORAT
Spécialité:PhysiqueetSciencesdelaMatière
Mention:PhysiquedesParticulesetAstroparticules
présentépar
DavidJamin
envued’obtenirlegradededocteurdel’UniversitédelaMéditerranée
RecherchedubosondeHiggsduModèleStandard
¯danslecanaldedésintégrationZH→ννb¯ b
surlecollisionneurTevatrondansl’expérienceDØ
Développementd’uneméthoded’étiquetage
desjetsdequarksb
avecdesmuonsdebassesimpulsionstransverses
soutenuele30Septembre2010devantlejurycomposéde
Dr. D.Bloch Rapporteur
Dr. A.Duperrin Directeurdethèse
Prof. F.Feinstein Rapporteur
Dr. J.F.Grivaz Présidentdujury
Dr. E.Kajfasz Co DirecteurdethèseTable des matières
Remerciements 1
Introduction 3
1 CadreThéorique 5
1.1 LeModèleStandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 LarecherchedubosondeHiggs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 CadreExpérimental 19
2.1 Lesystèmed’accélération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 LedétecteurDØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Objetsphysiquesutilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Lachaînedesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Qualitédesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 SoftLeptonTagging 41
3.1 Préambule:NN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 MotivationsdelaméthodeSLTNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Procédure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Etiquetagedemuonsdanslesjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5 EntraînementduRéseaudeNeurone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Résultatsaveclesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 RecherchedubosondeHiggs 83
4.1 Lotdedonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2 Bruitsdefond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 Simulationdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
iii Tabledesmatières
4.4 Présélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.6 EtiquetagedesjetsissusdequarkbavecNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.7desjetsissusdequarkbavecSLTNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Conclusion 133
A Réseaudeneurones 135
A.1 Structureduréseaudeneurones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
A.2 Apprentissageduréseaudeneurones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
A.3 Arbresdedécision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
B Distributionssupplémentairesdudéveloppementdelaméthoded’étiquetageSLTNN141
B.1 Coefficientsdecorrélation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
B.2 Variablesd’entréesdeSLTNNdansleslotsdebruitdefondsimulés. . . . . . . 147
B.3 Vdedansleslotsdedonnéesetdesignalsimulé . . . 149
B.4 Variables d’entrées deSLTNN dans les lots de et de signal plus bruit
defondsimulé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
¯C Autrescombinaisonsd’étiquetagedansl’analyseZH→ννb¯ b 153
¯D Distributionsdesvariablesd’entréesduSLTNNdansl’analyseZH→ννb¯ b 157
D.1 Variablesd’entréesdeSLTNNdansl’analyseavantb tagging . . . . . . . . . . . 157
D.2 Vdedansaprès . . . . . . . . . . . 160
Bibliographie 163Remerciements
Jeremercietoutd’abordEricKajfaszpourm’avoiraccueilliauCPPMetpoursaparticipa
tionaujurydethèse.
Je voudrais remercier particulièrement Arnaud Duperrin, mon directeur de thèse, et ce
pourplusieursraisons.Toutecettehistoireacommencésuiteàunentretientéléphoniquelors
de ma recherche de stage de fin de M2 ou nous avons eu un échange sincère dans une pé
riodedifficilepourmoi.Ensuite,jen’oublieraijamaisleseffortsconsentispourmepermettre
d’obteniruneboursedethèseetmepermettred’accomplirtoutcequel’onpourralireparla
suitedanscemémoire.Mercidem’avoirsoutenudurantcestroisdernièresannéesetd’avoir
toujoursdéfendumesintérêts.
Je souhaite remercier Daniel Bloch et Fabrice Feinstein, mes rapporteurs, pour la lecture
de ce manuscrit et les commentaires qui ont contribués àméliorer ce document. Je tiens à re
mercier aussi Jean François Grivaz d’avoir accepeté de participer et de présider mon jury de
thèse,ainsiquedel’aideetdel’intérêtapportésàmestravauxentantquecollaborateur.
J’aimerais aussi remercier les membres du groupe DØ à Marseille : Anne Fleur Barfuss,
Betty Calpas, Samuel Calvet, Marie Claude Cousinou, Marc Escalier, Smaïn Kermiche, Steve
MuanzaetElemerNagyquiont,toutaulongdecestroisansetdemi,partagédeleurtemps
etdeleurexpérience.
Je remercie aussi les thésards et post docs DØ France et de la collaboration, pour les mo
mentsagréablesetenrichissantspartagésaveceuxlorsdenosdifférentesrencontresàFermi
laboùdurantlesnombreuxmeetingsdecollaboration.
Je remercie aussi les thésards et autres du CPPM, CPT et LAM : Nicolas Picot Clémente,
GuillaumeLambard,Pierre SimonMangeard,BenjaminClément,MathieuBeau,BaptisteSa
voie(bien),ImenAl Samarai,...lalisteétantnon exhaustive;pourtouslesmomentspartagés,
autantaulabo(genreproblèmesdecodesoudephysique)queendehors(genretoujourspro
blèmes de codes ou de physique ou existentiel avec en plus la propagation de la science au
12 Tabledesmatières
restedumonde).Caaétédrôledeseconnaîtreetl’histoiren’estpasfinie...
Jevoudraisremercierl’ensembledupersonnelduCPPMquifontdecelaboratoireunlieu
agréableàvivre.
Jeremercietousmesamisdetoujours:legrumeaudespotesducollège,celuidulycéeet
celuidesannéesuniversitairesquiontsuapprécierlesraresmomentsquej’aipuleuraccorder.
JeteremercieparticulièrementMikhaïlpourlefaitquel’onsesoitrencontré,pournotreamitié
qui a su renaître et pour tout ce que nous réserve l’avenir en bien (j’ai déjà des souvenirs
mémorables)etenmal.
Je remercie aussi mes parents et ma famille pour leur soutien. Je tiens à leur dire, mal
gré que ce ne soit pas mon fort qu’ils sont important pour moi et que je leur serai toujours
reconnaissant de m’avoir permis d’en arriver là à travers toutes les concessions et toute leur
affection.Introduction
Le Modèle Standard de la physique des particules permet de décrire les particules fon
damentales ainsi que leurs interactions. Il a connu de grand succès et grâce à son pouvoir
prédictif,ilapermis,parexemple,ladécouverteexpérimentaleduquarktopàlamasseatten
due(m =173.31.1GeV[1]).Cependant,cemodèleconnaîtquelquesdéfauts.Leprincipaltop
est qu’il ne peut expliquer l’origine de la masse des particules. Pour remédier à ce problème,
il est possible d’introduire le mécanisme de Higgs. Ce mécanisme nécessite l’existence d’une
nouvelleparticule:lebosondeHiggs,dontlamasseresteunparamètrelibre.Lesexpériences
duLEP ont tenté de le découvrir sans succès et il est toujours l’objet d’actives recherches au
collisionneurTevatronouaunaissantLHC.Larecherchedecetteparticulepeutsefairedans
divers canaux de désintégration et le sujet de la thèse ci présente porte sur la recherche du
¯boson de Higgs à basse masse (<135 GeV) dans le canal où celui ci se désintègre en paire bb
etestproduitenassociationavecunbosonZsedésintégrantendeuxneutrinos.Ledétaildu
mécanisme,lescontraintesexistantessurlamassedubosondeHiggsainsiquelajustification
ducanaldedésintégrationchoisiserontexplicitésdanslepremierchapitre.
Lesdonnéesissuesducollisionneurdeproton antiprotonTevatronàFermilabserontuti
lisées pour cette recherche. L’énergie dans le centre de masse des collisions est de 1.96 TeV
L’expérience DØ se situe sur l’un des deux points où s’effectuent les collisions. Le deuxième
chapitre porte sur le principe de fonctionnement du Tevatron, du détecteur DØ et de la des
criptiondesobjetsnécessairesàcetteanalyse.
¯Le canal de désintégration ZH→ ννb¯ b comporte dans l’état final deux neutrinos non
détectés produisant de l’énergie transverse manquante et deux quarks b qui vont s’hadroni
ser pour former des jets. Il est vital pour la sensibilité de l’analyse de pouvoir distinguer les
jetsissusdequarksb.Cettetechniqueestappelée b tagging .Ilexistedanslacollaborationun
outil standard d’identification de ces quarks (NN) basé sur les traces de grandes impulsions
transverse à l’intérieur des jets et la reconstruction de vertex secondaires déplacés (caracté
ristique des quarks b). Il est possible de compléter ce dernier en utilisant les désintégrations
34 Tabledesmatières
semi leptoniquesdesquarksb.Apartirdecettepropriété,unnouveloutild’identificationdes
quarks b a été développée : SLTNN. Le chapitre 3 fera le point sur ces deux méthodes d’éti
quetagedesjetsissusdequarkb:NNetSLTNN.
Le chapitre 4 portera sur la recherche du boson de Higgs du Modèle Standard dans le
¯canal de désintégration ZH→ ννb¯ b. Nous passerons en revue les défis que doit surmonter
l’analyse:réduction,maîtriseetmodélisationdesbruitsdefonds.Nousétudieronsaussil’ef
ficacité de notre nouvelle méthode d’étiquetage des jets issus de quark b pour rechercher le
bosondeHiggsàbassemasse.