THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR STRASBOURG I

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR - STRASBOURG I Discipline Physique Spécialité Physique des particules élémentaires Présentée par Ludovic Houchu Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR - STRASBOURG I Identification des leptons ? dans leurs désintégrations hadroniques et recherche de particules supersymétriques se désintégrant en leptons ? avec le détecteur CMS au LHC Soutenue publiquement le 16 juin 2008 Devant le jury composé de : Maria Spiropulu Rapporteur Externe Daniel Denegri Président du jury, Examinateur Jean-Pierre Engel Rapporteur Interne Daniel Froidevaux Rapporteur Externe Ulrich Goerlach Directeur de thèse

  • mssm modèle

  • énergie transverse

  • particules supersymétriques

  • système conventionnel de coordonnées du détecteur cms

  • minimal supersymmetric

  • coordonnée ?

  • angle entre les axes

  • proton


Publié le : dimanche 1 juin 2008
Lecture(s) : 60
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 220
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THÈSEDEDOCTORATDE
L’UNIVERSITÉ LOUISPASTEUR-STRASBOURGI
Discipline
Physique
Spécialité
Physiquedesparticulesélémentaires
Présentée par
LudovicHouchu
Pourobtenirlegrade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITÉLOUISPASTEUR-STRASBOURGI
Identificationdesleptonsτdansleursdésintégrationshadroniques
etrecherchedeparticulessupersymétriquessedésintégrantenleptonsτ
avecledétecteurCMSauLHC
Soutenue publiquement le16juin2008
Devantlejurycomposéde:
Maria Spiropulu Rapporteur Externe
Daniel Denegri Présidentdujury,Examinateur
Jean Pierre Engel RapporteurInterne
Daniel Froidevaux Externe
Ulrich Goerlach DirecteurdethèseListedesymboles,abréviationsettermes
spécifiquesutilisés
8 −1c vitesse de la lumièredanslevide,devaleurapprochée2,998×10 m.s
CMS Solénoïde CompactàMuons(CompactMuonSolenoid)
collisionp p collision entre deuxprotons
−19e magnitude de la chargeélectriquedel’électron,devaleurapprochée1,602×10 C
événementsempilés événements de collisioninélastique(laplupartàfaibletransfertd’impulsiontransverse)
produits simultanémentlorsd’uncroisementdepaquetsdeprotons
événementsous jacent (sous jacent à celui del’interactiondureentredeuxpartonslorsdelacollisioninélastique
entre protons) consisteenlarecombinaisondespartonsspectateurscontenusinitialement
dans les protons, ainsiquedesrayonnementsdeparticulesdansl’étatinitialetcelui final.
E projection de l’énergiedansleplantransversed’undétecteurT
missE Énergie Transverse Manquantàunévénement
T
nd2 q/g−jet cand.
E seconde plus grandeénergietransversed’uncandidatjethadroniquereconstruit
T
dans un événement
η pseudo rapidité
−34h constante de Planck,devaleurapprochée6,626×10 J.s
−34~ de Planckréduite,quivérifie~≡ h/(2π)etdevaleurapprochée1,055×10 J.s
HLT Déclenchement enlignedeHautNiveau(High L evelTrigger)
H Énergie Transverse Totaled’unévénementT
d projection du paramètred’impactd’unetracedansleplantransversed’undétecteur0
L1 Déclenchement enlignedeNiveau1(Level 1 )
LHC Grand CollisionneurHadronique(LargeHadronCollider)
LM1etLM2 deux des points d’étudeauxBassesMasses(LowMass)delaphénoménologie
du modèle mSUGRAauxvaleursdesparamètreslibres
2 2(m = 60 GeV/c ,m = 250 GeV/c ,A = 0,tanβ= 10,signedeμ :+)pourLM10 1/2 0
2 2et (m = 185 GeV/c ,m = 350 GeV/c ,A = 0,tanβ= 35,signedeμ :+)pourLM2,0 1/2 0
choisis par le groupeSUSYBSMdelacollaborationdeCMS
MSSM Modèle Standard SupersymétriqueMinimal(MinimalSupersymmetricStandard Model)
mSUGRA Minimal delaSupergravité(MinimalSupergravity)
p ou P projection de l’impulsiondansleplantransversed’undétecteurT T
QCD Théorie de la ChromodynamiqueQuantique(QuantumChromoDynamics)
SM Modèle Standard (StandardModel)desparticulesélémentairesetdeleursinteractions
iSystèmeconventionneldecoordonnéesdu
détecteurCMS
AudétecteurCMSsontassociésdesrepèresdecoordonnéescartésiennes(x,y,z)etsphériques(θ,φ),tous
deuxd’origineO positionnée au point de collisionnominaldesdeuxfaisceauxdeprotons.
Lesconventions du premier repère sont lessuivantes:
– l’axeOx est horizontal, pointe vers le centreduLHC,
– l’axeOyest vertical, pointe vers le haut,
– l’axeOzestcollinéaireàl’axedesfaisceauxetforme,aveclesdeuxaxesprécédents,untrièdredirect.
Cellesdusecond sont les suivantes :
– lacoordonnéeθ d’un point M dans l’espacedudétecteurestl’angleentrelesaxesOMetOz,
– laφ d’un point M dans du est entre les axes OH et Ox où H est
leprojetéde M sur le plan Oxy.
Lacoordonnéeconventionnelleη–pseudo rapidité–d’unpointMdansl’espacedudétecteurestdéfinie
parη=−ln(tan(θ/2)). q
2 2La mesure conventionnelle de distanceΔR entre deux axes est définie parΔR= (Δφ) +(Δη) oùΔφ
estl’angleentreles deux axes dans le plan Oxy,Δη estlanormedeladifférencedeleurpseudo rapidité.
L’impulsiondénomméetransverse,notée P ,estobtenueàpartirdescomposantessuivantxetyduvec T
2 2 2 2 4teurd’impulsion.L’énergietransverse,notée E ,estàpartirdelaformule E = P .c +m .c oùmT T T
estlamassedela particule considérée.
iiiTabledesMatières
Pagedegarde 1
Listedessymboles,abréviationsettermesspécifiquesutilisés i
SystèmeconventionneldecoordonnéesdudétecteurCMS iii
TabledesMatières v
Introduction ix
1 Au delàduModèleStandard,
peut êtrelaSupersymétrie 1
1.1 LeModèle Standard de la physiquedesparticulesélémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Plusieurséléments clés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Lesdéfauts du modèlecommethéoriedutout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Lathéorie de la Supersymétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Le Modèle Standard Supersymétrique Minimal MSSM (Minimal Supersymmetric
Standard Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 LeGrandCollisionneurHadroniqueLHCduCERNetleSolénoïdeCompactàMuonsCMS 19
2.1 LeGrand HadroniqueduCERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 L’Expérience CMS (Solénoïde Compactà Muons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 LeSolénoïde Supraconducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 LeTrajectographe interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 LeCalorimètre Électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4 Le Hadronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.5 LeSystème à Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.6 Le de Déclenchementetd’Acquisitiondesdonnées . . . . . . . . . . . . . 36
vvi TABLEDESMATIÈRES
2.2.7 La Reconstruction d’objetsdedétecteuretd’objetsphysiques . . . . . . . . . . . . 37
3 Reconstructionetidentificationdesjetshadroniquesdeleptonsτ 47
3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Résolutions sur les mesuresenénergieetendirectiondesjetsreconstruits . . . . . . 53
3.2 Discriminationcontre les jetsissus delafragmentationd’unquarkoud’ungluon . . . . . . 54
3.2.1 Sélection par les tracesreconstruites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 par l’absenced’activitéélectromagnétiqueneutre . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.3 Sélection par un rapport de pseudo vraisemblances des candidats contenant de l’ac
tivité électromagnétiqueneutre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.4 Performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3 Discriminationcontre les électrons, contreles muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 DescriptiondesévénementssimulésselonmSUGRA/LM2etselonleModèleStandard 95
4.1 Points d’étude dans l’espace desparamètresdumodèlemSUGRA . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Processus physiques du modèle mSUGRAaupointd’étudeLM2 . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.1 Cascades de désintégrationd’intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3 Processus physiques du ModèleStandard considérés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4 Tableauxrécapitulatifs des processussimulésconsidérés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5 ÉtudepourlaprésélectiondanslesdonnéesdesévénementsdesprocessusmSUGRA/LM2 115
5.1 Une comparaison de plusieursséquencesdedéclenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Contrôle de l’Énergie Transverse Manquante reconstruite dans les événements de processus
QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6 Miseenévidencedeprocessusphysiquesau delàduModèleStandardparlesquelsdesleptons
τsontproduits 135
6.1 Étude des variables discriminantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.1.1 Variables cinématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.1.2 Variables reliées au leptonτ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.1.3 Coefficients de corrélationlinéaireentrelesvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2 Deux méthodes pour signaler la présence d’événements de processus différents de ceux du
Modèle Standard dans les données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151TABLEDESMATIÈRES vii
6.2.1 Premièreméthode:comparaison,aprèscoupuressuccessives,entreunnombred’évé
nements observés et un nombred’événementsattendusselonleModèleStandard . . 152
6.2.2 Seconde méthode : mise en évidence d’une corrélation entre une variable cinéma
tiqueet unevariable associéeauτ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Conclusion 175
Tabledesfigures 179
Listedestableaux 193
Remerciements 197
Bibliographie 199
A Untraitementdesincertitudessystématiquesassociéesauxrésultatsprésentés 205

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