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Etude de la production de paires de bosons de Higgs dans le cannal bbtautau
Study of Higgs boson pair production in the bbtautau channel

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20/06/2024

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Portales Louis
+33 1 69 08

Résumé/Summary
Le groupe CMS du CEA Paris-Saclay cherche un(e) candidat(e) motivé pour travailler sur la production de paires de bosons de Higgs dans le canal bbtautau. Il ou elle s'intéressera au choix des algorithmes de déclenchement pour une analyse utilisant les données du Run 3, visant à contraindre l'auto-couplage du boson de Higgs
The CMS group of CEA Paris-Saclay is looking for motivated candidates to work on Higgs boson pair production in the bbtautau channel. They will look into the optimisation of the trigger selection for an analysis using Run 3 data, aiming at constraining the Higgs boson self-coupling.
Sujet détaillé/Full description
L’observation du boson de Higgs en 2012 a permis de confirmer la validité du Modèle Standard (MS) de la physique des particules, tel qu’il a été établi dans les années 60. Plus particulièrement, elle a confirmé celle du mécanisme de Brout–Englert–Higgs, expliquant comment les bosons vecteurs W± et Z0, et par extension les autres particules fondamentales, acquièrent leur masse. La validité du MS a été depuis renforcée au travers d’une décennie de mesures de plus en plus précises des propriétés de ce boson scalaire – masse, largeur de désintégration, couplages... – par les collaborations ATLAS
et CMS. Une propriété importante du boson de Higgs reste cependant à mesurer: son autocouplage. Dans le MS, ce paramètre est fixé par la masse du boson de Higgs et la "vacuum expectation value", qui sont toutes deux connues précisément. Mesurer cet autocouplage permettrait donc d’établir de manière solide la consistance du MS, ou bien d’apporter des réponses à certaines des grandes questions encore ouvertes en physique des particules si sa valeur ne correspond pas à celle pr édite. Par exemple, en considérant la masse du boson de Higgs mesurée – avec une précision de l’ordre du pourmille –, l'autocouplage devient négatif à très hautes énergies, permettant l’apparition d’un nouvel état de vide de plus basse énergie, atteignable par effet tunnel. Par ailleurs, le champ de Higgs constitue un outil extrêmement utile pour l’étude du phénomène d’inflation dans l’univers primordial, et la mesure d’une déviation de la valeur de son autocouplage par rapport au MS pourrait fournir une explication concrète à l’apparition de l’asymétrie entre le contenu en matière et antimatière dans notre univers. La mesure de l'autocouplage du boson de Higgs constitue donc l’une des priorités des collaborations ATLAS et CMS dans les années à venir.

Le Run 3 du LHC a débuté en 2022, et a déjà permis à l’expérience CMS d’enregistrer 60 /fb de données de collision proton-proton à une énergie au centre de masse de sqrt(s) = 13.6 TeV. La prise de données va continuer jusqu’en 2025, et devrait permettre de porter la luminosité collectée à environ 250 /fb, plus de doublant la statistique disponible grâce au Run précédent à sqrt(s) = 13 TeV. Ce nouvel ensemble de données constitue une excellente occasion pour améliorer les analyses visant à contraindre l'autocouplage du boson de Higgs. Les contraintes les plus fortes sur ce paramètre sont obtenues par l'étude de la production de paires de bosons de Higgs (HH), ou l'autocouplage apparait dans les diagrammes d’ordre dominant (LO) directement. La production HH est cependant un processus extrêmement rare, avec une section efficace
approximativement mille fois inférieure à celle de la production de boson de Higgs seul.

Parmi les modes de désintégration possibles de la paire de boson de Higgs, le canal HH->bbtautau se montre particulièrement intéressant pour le Run 3. De par son rapport d’embranchement favorable de 7.3 %, et de la contamination modérée de bruits de fonds, il constitue l’un des trois canaux les plus sensibles. De plus, il s’agit du canal bénéficiant actuellement du plus d’innovations dans les techniques d’analyses, en particulier au travers de nouveaux algorithmes d’identification des jets originant de quarks b, et des leptons tau, et plusieurs
directions sont déjà identifiées afin de pouvoir encore améliorer la sensibilité des analyses à venir, par exemple au travers du développement et de l’implémentation de nouveaux algorithmes de déclenchement, qui permettront d’augmenter grandement l’efficacité de sélection des évènements du signal dans certaines régions de l’espace de phase sensibles à l'autocouplage.

L'étudiant(e) prendra part au développement d'une analyse utilisant les données collectées par CMS pendant le Run 3 du LHC, visant à contraindre l'auto-couplage du boson de Higgs, par l'étude de la production HH, ou l'un des H se désintègre en une paire de quarks b, et l'autre en une paire de leptons tau. Il ou elle s'intéressera entre autres à l'étude dans le contexte de l'analyse de nouveaux algorithmes de déclenchement implémentés pour la prise de données en 2022 et 2023, ainsi qu'à l'optimisation de la sélection et de la catégorisation des évènements, pour maximiser les gains en sensibilité attendus.
The observation of the Higgs boson in 2012 confirmed the validity of the Standard Model (SM) of particle physics, as it was established in the 1960’s. More precisely, it confirmed that of the Brout-Englert-Higgs mechanism, which explains how the W and Z bosons, and by extension the other fundamental particles, acquire their mass. The SM validity has been strengthened since then, through a decade of more and more precise measurements of the properties of this scalar boson – mass, decay width, couplings... – by the ATLAS and CMS Collaborations. However, an important property of the Higgs boson has yet to be measured: its self-coupling. In the SM, this parameter is fixed by the Higgs boson mass and the vacuum expectation value v, that are now both precisely known. Measuring the Higgs self-coupling would therefore provide a strong closure test of the SM or, if the measured value does not correspond to the predicted one, it could bring answers to some of the great open questions in particle physics. For instance, considering the measured value of the Higgs boson mass – to a per-mille precision –, the self-coupling becomes negative at high energy scales, allowing for a new, lower energy vacuum state to appear, that can be reached through tunnelling. Moreover, the Higgs field is a great tool for the study of inflation in the early universe, and a measured deviation of the Higgs self-coupling value with respect to the SM prediction could contribute to explaining the origin of the observed the matter-antimatter asymmetry. Measuring this parameter is therefore one of the current priorities of the ATLAS and CMS collaborations.

Run 3 of the LHC started in 2022, and already allowed the CMS experiment to collect 60/fb of proton-proton collision data at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 13.6 TeV. Data-taking will continue until 2025, and should allow to bring the recorded luminosity to more than 150/fb, effectively doubling the available statistics from the previous Run at sqrt(s) = 13 TeV. This new dataset constitutes an excellent opportunity to improve analyses aiming at constraining the Higgs self-coupling. The best constrains on this parameter are obtained through the study of Higgs boson pair production (HH), where the self-coupling appears directly in Leading Order (LO) diagrams. However, HH production is an extremely rare process, with a total cross-section about 10 times smaller than that of single-Higgs-boson production.

Among the many possible decay modes of the HH pair, the HH->bbtautau channel is particularly interesting in Run 3. Thanks to its favourable branching ratio of 7.3 %, and to its moderate background contamination, it is among the three most sensible channels to the Higgs self coupling. It is also the channel that benefits from the most technical improvements in analyses techniques, especially through the recent introduction of new identification algorithms for b-quark initiated jets and tau leptons, and several directions are already well identified to improve further the sensitivity of upcoming analyses.

The student will take part in the development of an analysis using data collected by CMS during Run 3 of the LHC, aiming at constraining the Higgs boson self coupling through the study of HH production, with one H decaying into a pair of b-quarks, and the other one into a pair of tau leptons. They will study the impact on the analysis sensitivity of new trigger algorithms implemented online in 2022 and 2023, as well as the optimisation of the analysis selection and event categorisation accordingly.
Mots clés/Keywords
CMS, boson de Higgs, LHC
CMS, Higgs boson, LHC
Compétences/Skills
Caractérisation d'algorithmes de déclenchement, evaluation d'efficacités, pureté, acceptances... Estimation de la sensibilité au signal, analyse statistique.
Trigger algorithm characterisation, evaluation of efficiencies, purities, acceptances Estimation of signal sensitivity, statistical analysis
Logiciels
Python, C/C++, ROOT
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Mesure de précision de la masse et de la largeur du boson Z avec le détecteur ATLAS auprès du LHC au CERN
Precision measurement of the Z boson mass and width with the ATLAS detector at the CERN LHC

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2024

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CHAPON Emilien
+33 1 69 08 3623

Résumé/Summary
Les données de l'expérience ATLAS au LHC du CERN permettent des mesures précises des paramètres du modèle standard, tels que la masse et la largeur du boson Z. Celles-ci seront estimées au moyen d'une analyse statistique et d'un étalonnage spécifique des muons.
Data from the ATLAS experiment at the CERN LHC can be used for precise measurements of the parameters of the Standard Model, such as the mass and width of the Z boson. These will be estimated using a statistical analysis and a specific muon calibration.
Sujet détaillé/Full description
Le détecteur ATLAS est l'une des quatre expériences principales du grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, situé près de Genève. Parmi les nombreux sujets étudiés par la collaboration, les tests de précision du modèle standard (SM) de la physique des particules vérifient la cohérence de la théorie. La masse du boson Z est l'un des paramètres fondamentaux du SM. Elle a été mesurée précisément au LEP, l'accélérateur précédent du CERN, mais les données ATLAS contiennent des centaines de millions de bosons Z, deux ordres de magnitude de plus que les données du LEP, permettant d'atteindre une précision similaire malgré des conditions expérimentales plus complexes. La masse du boson Z est mesurée en utilisant sa désintégration en deux muons. Pour étalonner précisément l'échelle de la mesure de l'impulsion des muons, la résonance J/psi est utilisée, un méson qui se désintègre également en deux muons et dont la masse est connue très précisément.
Le but principal de ce stage sera d'étudier la sensibilité d'une mesure de la largeur du boson Z avec le détecteur ATLAS et sa relation avec la mesure de la masse du boson Z, actuellement en préparation. Des analyses statistiques ajustant uniquement la largeur ou la masse seront produites, ainsi qu'ajustant les deux simultanément, en incluant toutes les incertitudes systématiques, en particulier celles en lien avec l'échelle et la résolution de l'impulsion des muons.
The ATLAS detector is one of the four large experiments at the CERN’s Large Hadron Collider, located near Geneva. Among the many topics being studied by the collaboration, precision tests of the Standard Model (SM) of particle physics check for the consistency of this theory. The mass of the Z boson is one of the fundamental parameters of the SM. It has been precisely measured at LEP, CERN’s previous collider, but ATLAS data contains hundreds of millions of Z bosons, two orders of magnitude more than LEP data, making it possible to reach similar precision despite the more challenging experimental conditions. The Z boson mass is best measured using its decay to two muons. In order to precisely calibrate the momentum scale of muons, the J/psi resonance is used, a meson also decaying to two muons and which mass is very precisely known.
The main goal of this internship will be to study the sensitivity of a Z boson width measurement with the ATLAS detector and its interplay with the Z boson mass measurement, currently in preparation. Statistical analyses floating only the width or the mass will be performed, as well as floating both at the same time, including all systematic uncertainties, especially those related to muon momentum scale and resolution.
Mots clés/Keywords
Physique du modèle standard, physique électrofaible, analyse statistique, ATLAS, LHC
Standard model physics, electroweak physics, statistical analysis, ATLAS, LHC
Compétences/Skills
Analyse statistique, simulation MC, programmation
Statistical analysis, MC simulation, software development
Logiciels
C++, python, ROOT
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Recherche de production de boson de Higgs associée à un quark top unique et étude des propriétés CP du couplage top-Higgs dans le canal diphoton avec l'expérience CMS au LHC
Search for Higgs boson production with a single top and study of the CP properties of the top-Higgs coupling in the diphoton channel with the CMS experiment at the LHC

Spécialité

Physique corpusculaire des accélérateurs

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/06/2024

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MALCLES Julie
+33 1 69 08 86 83

Résumé/Summary
Ce stage préparatoire à une thèse vise à étudier deux axes possibles d'amélioration des méthodes d'analyse des données utilisées sur le Run2 en vue d'une publication sur les données du Run3 pour la recherche des productions ttH et tH du boson de Higgs et la mesure des propriétés CP du couplage H-tt.
This M2 internship, followed by a PhD thesis, aims at studying two possible paths to improve the sensitivity of the analysis published on Run 2 data for the publication of results on Run3 data, regarding the constraints on ttH and tH production and on the CP properties of the H-tt coupling.
Sujet détaillé/Full description
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. 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 prometteurs.
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, 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 3 sigmas. 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. 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 la thèse suivant ce stage 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 afin de tirer le meilleur parti de l’échantillon de données dont nous disposerons. Lors du stage, les données du Run2 seront utilisées pour explorer deux axes possibles d'amélioration de la sensibilité: l'amélioration de la discrimination entre les hypothèses CP pair et CP impair et l'amélioration de la réjection du bruit de fond, grâce à des techniques d'apprentissage automatique profond.
Ten years ago, the ATLAS and CMS experiments at LHC at CERN discovered a new boson, with a dataset of proton-proton collisions of about 10 fb-1 at the centre of mass energy of 7 to 8 TeV. Since then, the properties of this particle have been tested by both experiments and are compatible with the Higgs boson properties predicted by the Standard Model of particle physics (SM) within the uncertainties. In absence of direct probes of New Physics, increasing the accuracy of the measurements of the properties of the Higgs boson (its spin, its parity and its couplings to other particles) remains one of the most promising path to pursue.
The measurement of the ttH production allows the direct access to the top quark Yukawa coupling, fundamental parameter of the SM. ttH production is a rare process, two orders of magnitude smaller than the dominant Higgs boson production by gluon fusion. This production mode has been observed for the first time in 2018 separately by the CMS and ATLAS experiments, by combining several decay channels. More recently, with the full Run 2 dataset (data recorded between 2016 and 2018, with a total of 138 fb-1 at 13 TeV), this production mode was observed also using solely the diphoton decay channel, and a first measurement of its CP properties was provided again by both experiments, with the exclusion of a pure CP odd state at 3s. The associated production with a single top quark is about 5 times smaller than the ttH production and has never been observed. Thanks to the searches in the diphoton and multilepton channel, very loose constraints on this production modes were set for the first time recently. This production mode is very sensitive to the H-tt coupling CP properties, since in case of CP-odd coupling, its production rate is largely increased. We propose in the thesis following this internship to study jointly the two production modes (ttH and tH) and the H-tt coupling CP properties with Run 3 data (data being recorded now and until 2026, with potentially about 250 fb-1 at 13.6 TeV) in the diphoton decay channel. If there was some CP violation in the Higgs sector, excluding small pseudo-scalar contributions will require more data. Pursuing these studies with Run 3 and beyond may allow to pinpoint small deviations not yet at reach. We propose to bring several improvements to the Run 2 analysis strategy and to use novel reconstruction and analysis techniques based on deep-learning in order to make the most of the available dataset. During the internship, the Run2 data will be used to assess two possible paths to improve the sensitivity of the analysis using machine learning techniques.
Mots clés/Keywords
LHC, CMS, Higgs boson
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Stage de recherche sur les Axions et la radiofréquence : caractérisation et développement sur FPGA
Research Internship on Axions and Radiofrequency: Characterization and FPGA Development

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+4

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/09/2024

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

SAVALLE Etienne
+33 1 69 08 82 74

Résumé/Summary
Le stage se déroule dans l’équipe CEA de l’expérience G-LEAD, axée sur la recherche d'Axions, des particules proposées pour affiner la théorie de l’interaction forte et potentiellement constituer la matière noire. L'expérience utilise un champ magnétique pour convertir les Axions en photons conventionnels, capturés par un radiomètre équipé d'antennes, d'amplificateurs bas bruit, de mélangeurs de fréquence et de générateurs de fréquence. Le sujet du stage porte sur la caractérisation d'une PLL, l'implémentation de firmwares de FFTs sur FPGA, et la compréhension du contexte analogique radiofréquence de l'expérience. L'étudiant(e) utilisera des kits de développement et l'outil Vivado de Xilinx, ainsi qu'un environnement de test RF. Le stage, d'une durée de 4 à 6 mois, peut débuter à la mi/fin avril 2024.
The internship takes place within the CEA team of the G-LEAD experiment, focusing on Axion research, proposed particles to refine the theory of strong interaction and potential candidates for dark matter. The experiment utilizes a magnetic field to convert Axions into conventional photons captured by a radiometer equipped with antennas, low-noise amplifiers, frequency mixers, and frequency generators. The internship focuses on characterizing a PLL, implementing FFT firmware on FPGA, and understanding the radiofrequency analog context of the experiment. The student will use development kits and Xilinx's Vivado tool, along with an RF test environment. The internship, lasting 4 to 6 months, can start in mid to late April 2024.
Sujet détaillé/Full description
Le stage se déroule dans l’équipe CEA de l’expérience G-LEAD, qui est une expérience de recherche d’Axions, qui sont des particules proposées pour affiner la théorie de l’interaction forte et sont des candidats possibles de matière noire.

Les Axions se convertissent en photons conventionnels dans un champ magnétique, et l’expérience comprend un miroir sphérique baigné dans un champ magnétique, qui contraint les photons à se diriger vers l’antenne réceptrice d’un radiomètre. La fréquence des photons cherchés est dans une bande radiofréquence de largeur 10 à 100kHz, située dans la bande 10 – 100 GHz, et le bruit de fond est prédominant.

Le radiomètre nécessaire à l’observation des photons comprend une antenne, des amplificateurs bas bruit(LNAs), des moyens de mélange de fréquence (hétérodynage) et de génération de fréquence, générateur ou boucle à verrouillage de phase (PLL). L’expérience traite le signal par analyse spectrale, par un analyseur de spectres high-end dans un premier temps, puis par des moyens de numérisation(ADC) et de transformation de Fourier rapide (FFT) sur FPGA.

Le sujet proposé consiste en la caractérisation d’une PLL en bruit et stabilité fréquentielle, l’implémentation et tests de firmwares de FFTs sur FPGA, et la connaissance/apprentissage du background analogique radiofréquence de l’expérience, théorique et expérimental principalement.

L’étudiant(e) utilisera des kits de développement PLL, ADC et FPGA, et l’outil de développement Xilinx Vivado, ainsi qu’un environnement de test RF (Générateur, Analyseurs de spectres, Oscuilloscopes)

Le stage sera d’une durée de 4 à 6 mois, pouvant débuter à la mi/fin avril 2024
The internship takes place within the CEA team of the G-LEAD experiment, which is a research experiment on Axions, proposed particles to refine the theory of strong interaction and potential candidates for dark matter. Axions convert into conventional photons in a magnetic field, and the experiment includes a spherical mirror immersed in a magnetic field, which directs photons towards the receiving antenna of a radiometer. The frequency of the sought-after photons is in a radiofrequency band with a width of 10 to 100 kHz, located in the 10 – 100 GHz band, and background noise is predominant.

The radiometer required for photon observation includes an antenna, low-noise amplifiers (LNAs), frequency mixing (heterodyning), and frequency generation means, either a generator or a phase-locked loop (PLL). The experiment processes the signal through spectral analysis, initially using a high-end spectrum analyzer, then through digitization means (ADC) and fast Fourier transform (FFT) on FPGA.

The proposed subject involves characterizing a PLL in terms of noise and frequency stability, implementing and testing FFT firmware on FPGA, and gaining knowledge/learning the radiofrequency analog background of the experiment, mainly theoretical and experimental.

The student will use PLL, ADC, and FPGA development kits, as well as the Xilinx Vivado development tool, and an RF test environment (Generator, Spectrum Analyzers, Oscilloscopes).

The internship will last for 4 to 6 months, starting in mid/late April 2024.
Logiciels
Vivado, Python

 

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