Il y a 10 ans, les collaborations ATLAS et CMS au LHC au CERN découvraient le boson de Higgs, avec 10 fb-1 de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 à 8 TeV [1,2]. Depuis, les propriétés de cette particule ont été testées par les deux expériences et sont compatibles, dans les incertitudes, avec les propriétés prédites par le Modèle Standard de la physique des particules. Le Modèle Standard (MS) présente néanmoins un certain nombre de limitations, comme l’absence d’explication pour la matière noire par exemple, nous poussant à le considérer comme un modèle effectif à basse énergie, et à chercher à mettre en évidence ses limites. En l’absence de preuve directe de « Nouvelle Physique », accroître la précision des mesures des propriétés du boson de Higgs (son spin, sa parité, et ses couplages aux autres particules) reste un des chemins les plus prometteur.
La mesure de la production associée à une paire de quark top-antitop (ttH) donne un accès direct au couplage de Yukawa du quark top, paramètre fondamental du MS. La production ttH est un processus rare, deux ordres de grandeur plus rare que la production dominante au LHC par fusion de gluons. Ce mode de production a été observé pour la première fois en 2018 [3, 4], séparément par les expériences ATLAS et CMS, et en combinant statistiquement les résultats de recherches dans plusieurs canaux de désintégration. Plus récemment, avec le dataset complet du Run 2 (données prises entre 2016 et 2018 avec un total de 138 fb-1 à 13 TeV), ce mode de production a été observé aussi en utilisant seulement le canal de désintégration en deux photons, et une première mesure de ces propriétés CP a été publiée par les deux expériences avec une exclusion de l’hypothèse couplage CP-impair pur à 3s [5, 6]. La production associé à un quark top unique est de l’ordre de 5 fois plus faible et n’a encore jamais été observée expérimentalement. Grâce aux recherches dans les canaux en deux photons et en leptons multiples, des contraintes très lâches ont été cependant esquissées pour la première fois récemment (see Ref. [7]). Ce mode de production est très sensible aux propriétés CP du couplage H-tt, puisqu’en cas de couplage impair, sa production est augmentée de manière importante. Nous proposons dans cette thèse d’étudier conjointement les deux modes de production (ttH et tH), ainsi que les propriétés CP du couplage H-tt avec les données du Run 3 (données enregistrées en ce moment et jusqu’à 2026, avec potentiellement 250 fb-1 à 13.6 TeV à la fin du Run) dans le canal diphoton. Bien que de premières mesures de la violation de CP dans le secteur du Higgs existent, exclure de petites contributions CP-impaires demandera plus de données et la poursuite de ces études avec le Run 3 pourrait mettre en évidence des déviations du SM. Nous nous proposons dans cette analyse de données d’apporter de nombreuses améliorations à la stratégie générale de l’analyse et d’utiliser de nouvelles méthodes d’apprentissage profond pour la reconstruction des photons et la modélisation des bruits de fond , méthodes développées avec les thèses en cours actuellement dans le groupe mais pas encore utilisées dans les résultats de physique de CMS. Ces améliorations permettront de tirer le meilleur parti de l’échantillon de données dont nous disposerons.
[1] ATLAS Collaboration, “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC,” Phys. Lett. B 716 (2012) 1.
[2] CMS Collaboration, “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC,” Phys. Lett. B 716 (2012) 30.
[3] ATLAS Collaboration, “Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector”, Phys. Lett. B 784 (2018) 173.
[4] CMS Collaboration, “Observation of ttH Production”, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 231801.
[5] CMS Collaboration, “Measurements of ttH Production and the CP Structure of the Yukawa Inter- action between the Higgs Boson and Top Quark in the Diphoton Decay Channel”, Phys. Rev. Lett. 125, 061801.
[6] ATLAS Collaboration, “CP Properties of Higgs Boson Interactions with Top Quarks in the ttH and tH Processes Using H ? ?? with the ATLAS Detector” , Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 061802.
[7] CMS Collaboration, “A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery”, Nature 607 (2022) 60.

Cette thèse propose de mesurer de manière cohérente les différents processus rares de production de quarks top en association avec des bosons, dans l’état final avec deux leptons de même signe ou trois leptons chargés au grand collisionneur de hadrons. La thèse sera basée sur l’analyse du lot de données collecté et en cours d’acquisition par l’expérience ATLAS à une énergie record. L’analyse conjointe des processus ttW, ttZ, ttH et 4top où un signal est bruit de fond de l’autre permettra d’avoir des mesures complètes et non biaisées de l’état final avec plusieurs leptons.
Ces processus rares, accessibles récemment au LHC, peuvent sonder les modèles de nouvelle physique pour lesquels le quark top est un outil prometteur, en particulier en utilisant des théories des champs effectives. Découvrir des signes de nouvelle physique qui dépasse les limitations du modèle standard est une question fondamentale de la physique des particules à l’heure actuelle.

Ce projet de thèse concerne la mesure précise de l'angle de mélange électrofaible avec l'expérience P2, auprès de accélérateur MESA, a Mayence. La mesure permettra de tester, pour la première fois, la prédiction du Modèle Standard pour l’évolution de ce paramètre fondamental en fonction de l’échelle d’énergie, et les effets d'éventuelles nouvelles particules ou interactions.

La détermination de l'angle de mélange repose sur une mesure précise de la variation de la section efficace de diffusion d'un faisceau d'électrons, sur une cible d'hydrogène liquide, en fonction de la polarisation du faisceau. Cette asymétrie, mesurée en diffusion vers l'avant, est affecté d'incertitudes systématiques importantes liées à la structure du proton. Une mesure de la diffusion vers l'arrière, à l'aide d'un détecteur dédié, permet de réduire ces incertitudes, et constitue l'objet de cette thèse.

Le projet de thèse arrive a un moment crucial par rapport au développement de l'expérience, et permettra à l'étudiant-e de participer directement à la construction d'un détecteur de très haute performance, à son installation dans l'expérience P2, et à son exploitation scientifique.