Published April 27, 2023 | Version v1
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Search for high mass resonances with multi-lepton channels and study of timing performance of the CMS High Granular Calorimeter

Description

This thesis takes place at a critical moment when all the data collected by the CMS experiment during the LHC Run-2 are available and when the new generation of detectors aiming to probe even further our knowledge of physics are being developed. In this context, this thesis is structured around two problematics, the first one concerns the study of the performance of a prototype of the CMS High Granularity Calorimeter (HGCAL). It is part of a vast campaign of upgrades for the future life phase of the LHC, also known as the High-Luminosity LHC, which should be in service by 2029. It aims to generate ten times more data than during the entire first phase of the LHC, in order to measure even more accurately the predictions of the Standard Model (SM) of particle physics, as well as to study rare phenomena that are not observable currently. The higher luminosity will also be associated with a significant increase in the number of simultaneous events and the radiation dose that the detectors will receive. The current detectors are not designed to operate in such an environment, so the endcap calorimeters of CMS will be replaced by HGCAL. It will be the first imaging calorimeter based on silicon sensors to be used. To determine its feasibility, a first prototype has been built and used in beam tests using positrons and pions with energies ranging from 20 to 300 GeV. In this thesis, the focus will be on the study of the temporal performance of the prototype, through the various stages of calibration and up to the calculation of the temporal resolution for a single HGCAL cell and for the whole electromagnetic or hadronic showers. The results obtained in this thesis are compared with those obtained from Monte Carlo simulations and the very good agreement between both confirms the viability of the HGCAL concept. The second problematic addressed in this thesis is about the search for high mass resonances using the multi-leptonic decay channel. Such a search is explained by the fact that the SM does not describe some phenomena, but other theories propose an explanation with the addition of new bosons. The aim of such an analysis is to see if there is a resonance with a mass between 200 GeV and 3 TeV that could correspond to a new type of scalar boson. For this purpose, the 138 fb-1 of data collected by the CMS experiment during Run-2 are used in the H → ZZ → 4l decay channel. The interest in using this particular channel is that it corresponds to one of the dominant high-mass production modes and has a fully reconstructed final state with excellent resolution and good signal-to-noise ratio. Firstly, this thesis presents how the different objects constituting the events of interest are reconstructed and selected. Secondly, the construction of a signal model is done in such a way that any combination of the resonance parameters can be compared to the data. For this purpose, this modelling consists of a part describing the theoretical signal and another part that takes into account all the effects of the detector. In order to find out whether the experimental data can be described by the signal constructed in this thesis, a statistical test is performed by maximizing a likelihood function taking into account the signal, as well as the background and interference between both. As a result, limits on the expected signal cross-section are calculated and allow excluding or not a region of mass in which a high mass resonance can be found. (author)

Abstract (French)

Cette these prend place a un moment charniere ou l'ensemble des donnees collectees par l'experience CMS lors du Run-2 du LHC (2015 a 2018) sont disponibles et ou la nouvelle generation de detecteurs visant a sonder encore plus loin nos connaissances de la physique sont en train d'etre elabores. Dans cet esprit, cette these s'articule autour de deux problematiques, dont la premiere porte sur l'etude des performances d'un prototype du High Granular Calorimeter (HGCAL) de CMS. Celui-ci s'inscrit dans une vaste campagne d'ameliorations a l'horizon de la future phase de vie du LHC, aussi appelee High-Luminosity LHC (HL-LHC) et qui devrait etre mise en place en 2029. Son objectif est de generer dix fois plus de donnees que pendant l'ensemble de la premiere phase du LHC, et ceci dans le but de mesurer encore plus precisement les predictions du Modele Standard (MS) de la physique des particules, ainsi que d'etudier des phenomenes rares qui ne sont pas observables a l'heure actuelle. L'augmentation de la luminosite sera aussi associee a une importante hausse du nombre d'evenements simultanes et de la dose de radiation que vont recevoir les detecteurs. Ceux actuellement en place ne sont pas prevus pour fonctionner dans un tel environnement, et c'est pourquoi les actuels calorimetres aux extremites seront remplaces par HGCAL Celui-ci sera le tout premier calorimetre imageur a base de capteurs en silicium a etre utilise. Pour determiner sa faisabilite, un premier prototype a ete construit et utilise lors de tests sous faisceaux utilisant des positons et des pions ayant une energie allant de 20 a 300 GeV. Dans cette these, l'accent sera mis sur l'etude des performances temporelles du prototype, en passant par les differentes etapes de la calibration et jusqu'au calcul de la resolution temporelle pour une unique cellule de HGCAL et pour l'ensemble d'une gerbe electromagnetique ou hadronique. Les resultats obtenus lors de cette these sont compares a ceux issus de simulations Monte Carlo et le tres bon accord entre les deux confirme la conception finale de HGCAL. La seconde problematique sur laquelle se penche cette these est la recherche de resonances a haute masse en utilisant les canaux de desintegration multileptoniques. Une telle recherche s'explique par le fait que le MS ne permet pas de decrire certains phenomenes, mais d'autres theories leur proposent une explication avec notamment l'ajout de nouveaux bosons. L'objectif de cette analyse est de regarder s'il existe une resonance ayant une masse comprise entre 200 GeV et 3 TeV pouvant correspondre a un nouveau type de boson scalaire. Pour cela, les 138 fb-1 de donnees collectees par l'experience CMS lors du Run-2 sont utilisees dans le canal de desintegration H → ZZ → 4l. L'interet d'utiliser ce canal en particulier est qu'il correspond a l'un des modes de production dominant a haute masse et qu'il possede un etat final pleinement reconstruit avec une excellente resolution et un bon rapport signal sur bruit. Cette these va tout d'abord presenter comment les differents objets constituants les evenements d'interets sont reconstruits et selectionnes. Ensuite, la construction d'un modele de signal est faite de telle sorte que n'importe laquelle des combinaisons de parametres de la resonance puissent etre comparees aux donnees. Pour cela, cette modelisation comprend une partie decrivant le signal theorique et une autre qui prend en consideration tous les effets du detecteur. Afin de savoir si les donnees experimentales peuvent etre decrites par le signal construit dans cette these, un test statistique est realise en maximisant une fonction de vraisemblance prenant en compte le signal, ainsi que les bruits de fond et les interferences entre les deux. En guise de resultats sur cette recherche, les limites sur la vraisemblance du signal attendu sont presentees et permettent d'exclure ou non une region de masse dans laquelle peut se trouver une resonance de haute masse. (auteur)

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Original title (French)
Recherche de resonances a haute masse avec les canaux multi-leptons et etude des performances temporelles du High Granular Calorimeter de CMS

Publishing Information

Imprint Pagination
299 p.
Report number
FRNC-TH--15734

Optional Information

Notes
182 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses