Désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon et résolution temporelle du calorimètre électromagnétique de CMS // Higgs boson decay into a Z boson and a photon and time resolution of the CMS electromagnetic calorimeter

La thèse se concentre sur la physique du boson de Higgs à travers une de ses désintégrations les plus rares et encore non observées, celle en un boson Z et un photon (canal Zgamma). Cette désintégration complète le portrait du boson de Higgs déssiné jusqu'à présent et implique de manière unique tous les bosons neutres actuellement connus (Higgs, Z, photon), tout en étant sensible à éventuels processus de physique au délà du modèle standard. L'état final de l'analyse consiste en deux leptons de désintégration du boson Z (muons ou électrons, pour cette étude) et un photon. Évènements produits par d'autres processus du modèle standard et contenant deux leptons et un photon (ou des particules mal identifiées pour telles) constituent le bruit de fond de l'analyse. Avec toutes les données recueillies durant le Run2 du LHC (2015-2018) et le Run3 (2021-2026) il est possible de mettre en évidence cette désintégration, c'est-à-dire de l'observer avec une significance statistique de plus que trois déviations standard.

La thèse inclut aussi une partie instrumentale d'optimisation de la résolution en temps du calorimètre électromagnétique de CMS (ECAL). Bien que conçu pour des mesures de précision en énergie, le ECAL a aussi une excellente résolution sur le temps d'arrivée des photons et des électrons (environ 150 ps en collisions, 70 ps en faisceau test, avec conditions idéales). Dans un état final peuplé par des photons provenant de plusieurs dizaines d'évènements superposés (pileup), le temps d'arrivée d'un photon aide à vérifier sa compatibilité avec le vertex de désintégration du boson de Higgs. Cela sera crucial pendant la phase à haute luminosité du LHC (2029-), quand le nombre d'évenements superposé sera environ un facteur 3 plus grand qu'aujourd'hui. Une nouvelle électronique de lecture du ECAL est en train d'être produite et sera installée dans ECAL et CMS pendant la durée de la thèse. Elle permettra d'atteindre une résolution en temps de 30 ps pour photons et électrons de haute énergie. Cette performance a été mésurée en test sur faisceau d'un module du ECAL en conditions idéales (pas de champs magnétique, pas de matériel du trajectographe devant ECAL, pas de pileup): la thèse vise à dévélopper des algorithmes pour maintenir cette performance au sein de CMS.

Le travail de thèse est une continuation de l'analyse Z? en cours dans le groupe CMS du CEA Saclay et de l'analyse des performance en temps du ECAL, où le groupe de Saclay est le leader. Des outils d'analyse simples, robustes et performant, écrits en C++ moderne, basé sur le cadre d'analyse ROOT, permettent de comprendre et contribuer à toutes les étapes d'analyse, à partir de données brutes jusqu'aux résultats publiés. Le groupe CMS de Saclay a des responsabilités de premier plan dans CMS depuis sa construction, incluant une expertise approfondie en physique du Higgs, en reconstruction d'électrons et de photons, en simulation de détecteurs et en techniques d'apprentissage automatique et intelligence artificielle.

Des déplacements réguliers au CERN sont proposés pour présenter les résultas du travail de thèse à la collaboration CMS et pour participer aux tests en laboratoire prévus pour la nouvelle électronique d'ECAL, ainsi qu'à son installation.

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The thesis focuses on Higgs boson physics, specifically one of its rare and yet unobserved decay channels: the decay into a Z boson and a photon (Zgamma channel). This decay not only complements our understanding of the Higgs boson but also uniquely involves all currently known neutral bosons (Higgs, Z, photon) and is sensitive to potential processes beyond the Standard Model. The final state of the analysis consists of the two lepton decay products from the Z boson (muons or electrons for this study) and a photon. Background events produced by other Standard Model processes that contain two leptons and a photon (or misidentified particles) form the background of the analysis. With all data gathered during LHC Run 2 (2015-2018) and Run 3 (2021-2026), it is possible to have evidence of this decay, that is to observe it with a statistical significance exceeding three standard deviations.

In addition, the thesis includes an instrumental part focused on optimizing the time resolution of the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL). Although designed for precise energy measurements, the ECAL also shows excellent timing resolution for photons and electrons (approximately 150 ps in collisions, 70 ps in test beam conditions). In a final state populated by photons from multiple overlapping events (pileup), the arrival time of a photon helps to verify its compatibility with the Higgs boson decay vertex. This will be crucial during the high-luminosity phase of the LHC (2029 onward), when the number of overlapping events is expected to be about three times greater than today. A new readout electronics for the ECAL is being developed and will be installed in the ECAL and CMS during the duration of the thesis. The new electronics achieves a timing resolution of 30 ps for high-energy photons and electrons. This performance was tested in ideal beam conditions (no magnetic fields, no tracker material in front of ECAL, no pileup). The thesis aims to develop algorithms to maintain this performance within CMS.

The thesis work is a continuation of the ongoing Z? analysis within the CMS group at CEA Saclay and the timing performance analysis of the ECAL, where the Saclay group is a leader. Simple, robust, and efficient analysis tools written in modern C++ and leveraging the ROOT analysis framework allow to understand and contribute to every stage of the analysis, from raw data to published results. The CMS Saclay group has leading responsibilities in CMS since its construction, including deep expertise in Higgs physics, electron and photon reconstruction, detector simulation, and machine learning and artificial intelligence techniques.

Regular trips to CERN are proposed for presenting the results of this work to the CMS collaboration and for participating in laboratory tests planned for the new ECAL electronics, as well as for participating to its installation.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules
Laboratoire : Groupe CMS (CMS)
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : Ferri Federico
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU
URL : https://cern.ch/fe

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules

Master 2 en physique des particules ou équivalent