M2: Recherche de nouveaux phénomènes par étude de la polarisation des bosons vecteursau LHC avec l’expérience ATLAS

Description du Poste
Les Missions Contexte :Le sujet de stage et de thèse proposé utilise les états de polarisation de paires de bosons de jauge (W et Z) produits par diffusion dans les interactions proton-proton au LHC à une énergie de 13 à 13.6 TeV, comme sondes pour la recherche de signaux de nouvelle physique. Cette recherche est l’un des objectifs majeurs du LHC, après l’observation du boson de Higgs en 2012.
Le mécanisme de Higgs est un élément essentiel du modèle standard permettant que la section efficace calculée de la diffusion de bosons de jauge ne diverge pas aux énergies élevées, soit dans le régime auquel de nouvelles particules ou interactions sont attendues. La validation de ces calculs par l’étude expérimentale des diffusions de bosons vecteurs polarisés est donc complémentaire des mesures basées sur la détection directe du boson de Higgs. En particulier, la diffusion de bosons de jauge polarisés longitudinalement est étroitement liée au mécanisme de Higgs.
Ces processus sont cependant parmi les plus rares jamais encore mesurés au LHC et leur étude en est à son commencement. Elle pourrait permettre de déceler des signes de nouvelle physique. Ainsi, très récemment, grâce au travail de l’équipe du LAPP, une étape majeure a été franchie par une première mesure des états de polarisation longitudinaux des bosons W et Z produits par diffusion [1], basée sur un échantillon partiel des données.
Résumé du travail de stage :Le sujet du stage de M2 proposé s’inscrit dans la continuité directe de ce résultat et propose d’utiliser toutes les données du run 3 du LHC qui seront alors disponibles : le candidat aura accès pour la première fois à l’ensemble des données collectées par l’expérience ATLAS de 2015 à 2026, soit une statistique sans précédent de 450 fb-1.
Le travail prévu portera sur une amélioration des techniques de séparation des états de polarisation longitudinaux et transverses des bosons, en exploitant des méthodes nouvelles d’intelligence artificielle (IA). Le but premier sera de vérifier, avec plus de données, si la faible quantité de bosons W polarisés longitudinalement mesurée dans le résultat précédent correspond à une fluctuation statistique ou se confirme. Sa confirmation pourrait constituer un signe de nouvelle physique.
Le travail du candidat sera intégré dans le groupe d’analyse de la collaboration internationale ATLAS travaillant sur cet état final WZ, groupe qui est coordonné par l’équipe du LAPP. Cela facilitera la prise en main de l’analyse par l’étudiant et contribuera à la visibilité de son travail. L’étudiant pourra être amené à interagir avec des théoriciens.
Indication éventuelle d’ouverture vers un sujet de thèse :Le stage pourra se prolonger par une thèse qui aura comme but principal de réaliser la mesure des états de polarisation des bosons vecteurs produits par diffusion WZ, en exploitant l’intégralité des données à 13 et 13.6 TeV d’ATLAS. Pour ce faire, la mise en place et l’utilisation d’algorithmes d’IA avancés seront nécessaires, dans le but d’augmenter la sensibilité de l’analyse aux événements extrêmement rares recherchés. Les mesures seront ensuite comparées aux prédictions du modèle standard, afin de rechercher de possibles signaux de nouvelle physique. Les résultats obtenus feront l’objet d’une publication dans une revue internationale à comité de lecture. Ces développements s’appuieront également sur un travail phénoménologique en collaboration avec des théoriciens au niveau international, le groupe du LAPP ayant déjà des connexions étroites avec les experts théoriques de ce domaine.
Par ailleurs, l’étude proposée ici constituera une excellente préparation aux analyses pour la phase de haute luminosité du LHC (HL-LHC), prévue après l’arrêt technique en cours. La mesure de la diffusion de bosons vecteurs polarisés est en effet un des deux enjeux majeurs de la phase HL-LHC, avec l’étude de l’auto-couplage du boson de Higgs. Le sujet est donc très porteur.
Dans la collaboration ATLAS l’étudiant sera amené à s’investir aussi dans des développements plus techniques. Au choix du candidat, cela pourra prendre la forme de contributions aux projets hardware du groupe, qui seront alors en phase de déploiement au CERN pour le démarrage du HL-LHC. Des travaux liés à la compréhension de la réponse des détecteurs et de leur performance, comme la détection des leptons, ou la reconstruction des jets et l’identification de leurs sous-structures, dans le cadre de l’amélioration des algorithmes pour le HL-LHC, peuvent également être envisagés.
La proximité géographique du LAPP avec le CERN facilitera l’implication directe de l’étudiant dans la vie de l’expérience, avec la participation aux réunions de la collaboration ainsi qu’aux préparatifs pour la mise en route du HL-LHC en 2030.
Enfin, le travail du candidat sera partie intégrante du réseau européen COMETA qui rassemble des membres de l’expérience ATLAS, mais également de l’expérience CMS, de même que des théoriciens, fournissant ain