Studies of photon isolation in a large-pileup environment and search for axion-like particles decaying into two photons with the ATLAS detector at the LHC - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Studies of photon isolation in a large-pileup environment and search for axion-like particles decaying into two photons with the ATLAS detector at the LHC

Études sur l'isolement des photons dans l'environnement à haut empilement au LHC, et recherche de particules de type axion se désintégrant en deux photons avec le détecteur ATLAS

Résumé

This thesis presents my contributions to the ATLAS experiment, consisting mainly on two topics: studies of photon isolation, and a search for new resonances in the diphoton decay channel. The work described is based on proton-proton collision data from the Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded with the ATLAS detector from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 −1. Prompt photons at hadron colliders are an important probe of the theory of Quantum Chromodynamics and a powerful signature in searches for new physics. Both objectives require a deep understanding of photon production processes and possible background sources. Photon candidates are reconstructed and identified using information from ATLAS calorimetric and tracking systems. For a precise prompt photon identification, the isolation of photons from nearby energy deposits is required. Measurements of photon isolation efficiency are presented for photons with transverse energies (EγT) in the range from 20 GeV up to 1.5 TeV in different pseudorapidity (ηγ) regions. The methodology presented requires the subtraction of background events, primarily from neutral mesons in hadronic jets, estimated using data-driven techniques. Photon isolation performances are heavily affected by the increase of pileup noise from additional proton-proton collisions, since energy from uncorrelated processes may be found around the photon candidate. A prospective study on how to improve photon isolation against increasing pileup using additional information from energy deposits in the calorimeters is presented. The implementation of this study will allow, in future data-taking periods, to improve prompt photon identification at various steps in photon reconstruction. The second part of this thesis presents a search for new physics with two photons in the final state. Light and weakly interacting particles are predicted in a variety of theoretical models which would appear as resonances in the low mass part of the spectrum. Phenomenologically, such resonances gather interest as possible Dark Matter mediators. Previous to this work, the ATLAS and CMS experiments have searched for diphoton resonances at masses below the Higgs boson mass down to 65 GeV with no observed evidence for new physics. The analysis described in this thesis uses a novel approach, exploiting the particular topology of events with collimated pairs of photons reconstructed in the detector. This topology allows to reach invariant masses below 65 GeV, a region poorly explored in hadron colliders due to the experimental challenge it poses for recording low energy photons. The expected limits provide the strongest bound on couplings of axion-like-particles to gluons and photons for masses below 65 GeV. My contributions to this analysis span over almost all the steps of the study, being responsible for the generation and validation of signal and background simulation samples, analysis strategy, background estimation, evaluation of systematic uncertainties and computation of the expected limit. I also contributed to the validation of the next generation of diphoton triggers. Future data-taking periods will benefit from novel energy thresholds allowing to further extend the search towards lower masses. A prospective study is presented with the expected improvement in analyses targetting low invariant diphoton masses.
Cette thèse présente mes contributions à l’expérience ATLAS, qui portent principalement sur deux sujets: une étude sur l’isolation des photons, et une recherche de nouvelles résonances dans le canal de désintégration en deux photons. Le travail décrit est basé sur les données de collisions proton-proton au LHC à une énergie au centre de masse de 13 TeV, enregistrées avec le détecteur ATLAS de 2015 à 2018, et correspondant à une luminosité intégrée de 139 fb-1. Les photons ``directs'', produits en collisions hadroniques, sont une sonde importante pour étudier la chromodynamique quantique, et aussi une signature puissante pour les recherches de nouvelle physique. Ces deux objectifs nécessitent d’une compréhension approfondie des processus de production de photons et des sources de bruit de fond. Les candidats photons sont reconstruits et identifiés à l’aide d’informations provenant des sous-détecteurs ATLAS, notamment le calorimètre électromagnétique. Les photons directs sont aussi identifiés à l’aide d’un critère d’isolation, basé sur un véto sur les dépôts d’énergie autour du candidat. Les efficacités d’isolation sont mesurées pour des photons d’énergies transverses (EγT) comprises entre 20 GeV et 1.5 TeV, et pour différentes régions de pseudorapidité (ηγ) du détecteur. Le bruit de fond, composé principalement de mésons neutres dans les jets hadroniques, est estimé puis soustrait à l’aide de techniques basées sur les données. Les performances d’isolation des photons sont fortement affectées par l’augmentation du bruit d’empilement provenant de collisions proton-proton supplémentaires, car des dépôts d’énergie issus de processus non corrélés avec la production du photon, peuvent être trouvés autour du photon candidat. Une étude prospective porte sur la façon d’améliorer l’isolation des photons en face d’une augmentation de l’empilement, basée sur des informations provenant des dépôts d’énergie dans les calorimètres. La mise en œuvre de cette étude permettra d’améliorer l’identification des photons directs dans les périodes futures de prise de données. La deuxième partie de cette thèse présente une recherche de nouvelle physique avec deux photons dans l’état final. Des particules légères et faiblement interagissantes sont prédites dans une variété de modèles théoriques. Phénoménologiquement, de telles résonances suscitent un intérêt en tant que possibles médiateurs de la matière noire. Avant ces travaux, les expériences ATLAS et CMS avaient cherché de telles résonances dans le canal diphoton à des masses inférieures à la masse du boson de Higgs jusqu’à 65 GeV. L’analyse décrite dans cette thèse utilise une nouvelle approche, basée sur la topologie particulière des événements avec des paires collimatées de photons. Cette approche permet d’atteindre des masses invariantes inférieures à 65 GeV, une région peu explorée dans les collisionneurs de hadrons en raison du défi expérimental que cela pose pour l’étude des photons de faible énergie. Les limites attendues fournissent la plus forte contrainte sur les couplages de particules de type axion aux gluons et aux photons pour des masses inférieures à 65 GeV. Mes contributions à cette analyse couvrent presque toutes les étapes de l’étude, allant de la génération et de la validation des échantillons de simulation de signal et de fond, la stratégie d’analyse, l’estimation de fond, l’évaluation des incertitudes systématiques et l’évaluation de la sensibilité attendue. J’ai également contribué à la validation de la prochaine génération du déclenchement en diphoton. Les futures périodes de prise de données bénéficieront de seuils en énergie plus bas, ce qui permettra d’étendre encore la recherche vers des plus faibles masses. Une étude prospective évalue l’amélioration attendue de la sensibilité de cette future stratégie.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03409306 , version 1 (29-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03409306 , version 1

Citer

Luis Pascual Dominguez. Studies of photon isolation in a large-pileup environment and search for axion-like particles decaying into two photons with the ATLAS detector at the LHC. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Université de Paris / Université Paris Diderot (Paris 7), 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03409306⟩
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