Isaac Ehle soutient sa thèse

le vendredi 10 octobre 2025 à 14h00 dans l’amphi Becquerel de l’École polytechnique

Étude de la polarisation des dibosons au LHC et développements pour le trigger L1 du calorimètre à haute granularité de CMS.

La mesure de la polarisation des bosons vecteurs faibles au LHC constitue un test crucial du Modèle Standard (SM) et du mécanisme de Brisure Spontanée de la Symétrie Électrofaible (EWSB). Les bosons électrofaibles acquièrent leurs états de polarisation longitudinale grâce au mécanisme de brisure de symétrie. En particulier, selon le théorème d’équivalence de Goldstone, à des énergies dans le référentiel du centre de masse bien supérieures à la masse du boson vecteur, l’état de polarisation longitudinale correspond au boson de Goldstone associé à la brisure de symétrie électrofaible. La mesure de la polarisation des bosons vecteurs, et en particulier de leur composante longitudinale, offre une sensibilité unique à la physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Les études présentées dans cette thèse constituent la première mesure de la polarisation dans la production de paires de bosons ZZ, avec désintégration en quatre leptons chargés, réalisée par CMS. L’état final à quatre leptons présente l’une des signatures les plus propres du LHC, avec un rapport signal/bruit très élevé. De plus, la capacité à reconstruire intégralement l’état final permet d’extraire un grand nombre de variables angulaires sensibles à la structure de spin des bosons vecteurs dont ils proviennent. Ces variables angulaires sont des observables puissantes qui permettent de distinguer les différents états de polarisation des dibosons. Le travail commence par la sélection des événements et la définition des objets utilisés pour constituer un ensemble d’événements compatibles avec le processus ZZ à quatre leptons. Les études définissent également quelles variables angulaires offrent le meilleur pouvoir de séparation, et leurs utilisations ainsi que leurs limites sont discutées. L’incertitude sur les résultats finaux est abordée en détail, en expliquant comment elle est déterminée et en listant toutes les sources prises en compte. La procédure statistique utilisée pour mesurer les fractions de polarisation est décrite de manière approfondie. Le travail se termine par l’estimation de la sensibilité attendue pour la mesure des fractions de polarisation longitudinale, qu’elles soient individuelles ou pour la paire de bosons, dans les événements ZZ à quatre leptons, en utilisant 62 femtobarns inverses de données collectées par l’expérience CMS fonctionnant à une énergie dans le centre de masse de 13,6 TeV. L’incertitude dominante dans la mesure des fractions de polarisation est statistique. Cela est vrai pour de nombreuses analyses modernes au LHC, ce qui implique la nécessité de collecter davantage de données. C’est l’objectif du LHC à Haute Luminosité (HL-LHC), qui devrait accumuler environ dix fois plus de données que l’ensemble du LHC jusqu’à présent. Une partie du travail de cette thèse a également porté sur la préparation du détecteur pour le HL-LHC, en particulier les objets primitifs de déclenchement du nouveau calorimètre à haute granularité (HGCAL). Les études sur le HGCAL commencent par une brève présentation des améliorations prévues pour le détecteur CMS dans le cadre du HL-LHC. Cela est suivi par une description plus détaillée des mises à niveau des calorimètres électromagnétique et hadronique d’endcap (ECAL et HCAL, respectivement), un rappel des principes de calorimétrie et des interactions particule-matière, et se concluent par le travail réalisé dans le cadre de cette thèse sur l’optimisation des performances d’un type d’objet primitif de déclenchement généré dans le HGCAL de CMS. En particulier, la réponse en énergie et la résolution de cet objet de déclenchement ont été caractérisées avec et sans bruit de pileup. Plusieurs corrections et calibrations ont été dérivées et appliquées aux “objets bruts” afin d’obtenir de bonnes performances lors de la reconstruction des gerbes électromagnétiques et hadroniques dans un environnement à fort pileup.