Désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon et résolution temporelle du calorimètre électromagnétique de CMS

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. École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Direction : Federico FERRI Financement : Financement du CEA - CFR (Contrat formation par la recherche)