Search for the electroweak production of Zγ pairs and measurement of the differential cross section of the Zγ production in association with two jets with the ATLAS experiment at LHC
Recherche de la production électrofaible de paires Zγ et mesure de la section efficace différentielle de production de Zγ en association avec deux jets dans l'ATLAS expérience du LHC
Résumé
The physics subject of my thesis work, is the measurement of the cross-section of the diboson Zgamma production in association with a high mass dijetsystem. Proton-proton collision data from the ATLAS experiment at theCERN Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV,collected in 2015 and 2016 and corresponding to an integrated luminosity of36.1 fb^{-1} are analyzed. The electroweak production of Zgammajj events, provides a direct access to the nature of the electroweak symmetry breaking mechanism, by probing the quantum gauge boson couplings WWZgamma, ZZZgamma, ZZgammagamma and Zgammagammagamma. The last three are forbidden at the lowest order in the Standard Model. Any deviation from the Standard Model predictions could be a hint for new physics.Until now, the electroweak production of Zgammajj, which consist in pro-cesses with fourth-order electroweak coupling and include vector-boson scat-tering processes, has never been observed. The same Zgammajj final state canbe produced by a strongly-mediated process, with second order electroweakcoupling and second order strong coupling, resulting in a cross-section threeorder of magnitude larger than the electroweak cross-section. The Zgammajj pro-duction via electroweak and strong mechanism interfere since the initial andfinal states are the same. The understanding of this effect is an importantaspect of the analysis.In my thesis, I have studied this effect and its impact on the observationof the process and on the fiducial cross-section measurements. For this inves-tigation, after having performed the computation of the three contributions(electroweak, strong and interference) to the total cross-section using MonteCarlo simulations I have performed an optimization of the selection cuts, in order to reduce the impact of the interference, defining also a procedure onhow to account for the interference in the data analysis. The experimentalfocus of my work is the measurement of the differential cross section of theZgammajj final state as function of the invariant mass of the Zgamma system, the transverse momentum of the photon, the jet multiplicity and the invariantmass of the dijet system. Distributions sensitive to new physics are unfoldedand compared with MC expectations.All physics results rely on the reconstruction and selection of final statesconsisting of jets, electrons, muon and photons. Electrons and their identi-fication therefore play an important role in the Zgammajj analysis. This thesisreport documents also the work that I have done on the electron identification efficiency, including the implementation of an additional data drivenmethod. The results I have obtained, are used in all ATLAS analyses whosesignature contain electrons.
Le sujet physique de ma thèse est la mesure de la section efficace de di-boson Zgamma; production en association avec une paire de dijet à haute masse.Les données de collision protons-protons de l’expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons du CERN à une énergie dans le centre de masse de13 TeV, recueillies en 2015 et 2016 et correspondant à une luminosité intégrée de 36.1 fb^{-1} sont analysées. La production électrofaible d’événements Zgammajj donne un accès direct à la nature du mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible, en sondant les couplages quantiques de boson WWZgamma,ZZZgamma, ZZgammagamma et Zgammagammagamma. Les trois derniers sont interdits à l’ordre le plus basdans le Modèle Standard. Tout écart par rapport aux prévisions du ModèleStandard pourrait être un indice d’une nouvelle physique.Jusqu’à présent, la production électrofaible de Zgammajj, qui consiste en desprocessus avec constante couplage électrofaible du quatrième ordre et qui inclut des processus de diffusion de vecteur-boson, n’a jamais été observée. Le même état final Zgammajj peut être produit par un processus fortement médié,avec un constante couplage électrofaible de second ordre et un couplage fortde second ordre, résultant en une section efficace de trois ordres de grandeur plus grande que la section électrofaible. La production de Zgammajj via un mécanisme électrofaible et fort interfère puisque les états initiaux et finaux sont les mêmes. La compréhension de cet effet est un aspect important de l’analyse.Dans ma thèse, j’ai étudié cet effet et son impact sur l’observation du pro-cessus et sur les mesures de le section efficace. Pour cette étude, après avoir effectué le calcul des trois contributions (électrofaible, forte et interférence) à la section efficace totale à l’aide de simulations de Monte Carlo, j’ai effectué une optimisation des coupes de sélection, afin de réduire l’impact de l’interférence, en définissant également une procédure pour la prise en compte de cette interférence dans l’analyse des données. Le point focal expérimental de mon travail est la mesure de la section efficace différentielle de l’état final Zgammajj en fonction de la masse invariante du système Zgamma, du momentum transversal du photon, de la multiplicité de jets et de la masse invariante du système Dijet. Les distributions sensibles à la nouvelle physique sont corrigées par les effets détecteur et comparées aux attentes des PM.Tous résultat de physique repose sur la reconstruction et la sélection d’états finaux composés de jets, d’électrons, de muons et de photons. Les électrons et leur identification jouent donc un rôle important dans l’analyse Zgammajj. Ce rapport de thèse documente également le travail que j’ai fait sur l’efficacité de l’identification des électrons, y compris d’une méthode supplémentaire axée sur les données. Les résultats que j’ai obtenus, sont utilisés dans toutes les analyses ATLAS dont la signature contient des électrons.
Origine : Version validée par le jury (STAR)