Recherche de nouvelle physique au lhc et au fcc en utilisant les photons // search for new physics at lhc and fcc with photons

Topic description

Le groupe ATLAS du CPPM joue un rôle de premier plan dans la recherche de nouvelle physique auprès du Large Hadron Collider (LHC). Le groupe est fortement impliqué dans la recherche de la production de paires de bosons de Higgs, une signature cruciale pour mieux comprendre le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. La découverte du boson de Higgs en au LHC a marqué une étape majeure dans notre compréhension de la physique des particules, mais de nombreuses questions restent sans réponse.
La recherche d'une nouvelle particule se désintégrant en une nouvelle particule scalaire accompagnée d'un boson de Higgs donne des états finaux semblables à ceux attendus pour la production d'une paire de boson de Higgs et fait naturellement partie de cet effort. La production associé Z^0 H peut aussi donner des états finaux similaires et constitue un bruit de fond irréductible aux deux recherches mentionnées plus haut. Dans ce contexte, l'amélioration de l'identification des photons au sein du calorimètre à argon liquide d'ATLAS est essentielle. Le candidat aura l'opportunité de contribuer à ces efforts en travaillant sur les données réelles collectées lors du Run 3 du LHC, qui se terminera en. Cette expérience lui permettra d'acquérir une expertise solide dans l'analyse de données expérimentales et de développer une compréhension approfondie du fonctionnement des calorimètres.
Fort de cette expérience, le candidat s'intéressera ensuite à la recherche de nouvelles particules auprès du futur collisionneur circulaire (FCC). Le FCC est un collisionneur électron-positron en projet. D'une circonférence de 91 km, il sera situé mètres sous la frontière franco-suisse près de Genève. Son démarrage, espéré en, offrirait des opportunités uniques pour rechercher les signes de nouveaux phénomènes, principalement lors de la première période d'exploitation, prévue au pôle du Z^0, à une énergie totale de 91 GeV. En effet, grâce à sa luminosité inédite de 2 〖10〗^36 cm^(-2) s^(-1) à cette énergie, les quatre expériences prévues enregistreront un total de 5 〖10〗^12 désintégrations du Z^0, ouvrant ainsi la voie à la recherche de ses désintégrations les plus rares.
L'une des pistes les plus prometteuses est la recherche des ALP (Axion Like Particles) [1] dans les désintégrations du Z^0 [2][3]. Les ALP, prédits par de nombreuses théories au-delà du Modèle Standard, sont des candidats pour constituer la matière noire ou être des médiateurs d'interaction entre un secteur dit sombre et les particules connues. Au FCC, la production associée d'ALP avec des photons ou des bosons de jauge, suivie de leur désintégration en deux photons ou deux fermions chargés, constitue une signature prometteuse pour leur découverte et similaire à la signature de paires de bosons de Higgs dans lequel le groupe ATLAS du CPPM est expert.
Le cœur d'analyse de cette thèse portera sur l'évaluation de la sensibilité du détecteur concept ALLEGRO à la production d'ALP. En utilisant des simulations Monte Carlo détaillées, le candidat étudiera les différentes signatures expérimentales des ALP et développera des stratégies d'analyse optimisées pour maximiser la sensibilité de l'expérience. Grâce à la finesse de la granularité du calorimètre à argon liquide prévu pour ALLEGRO, une attention particulière sera portée à la reconstruction des vertex déplacés des désintégrations des ALP de faible masse, une région de l'espace des paramètres particulièrement intéressante pour explorer de nouveaux scénarios de physique au-delà du Modèle Standard.
Les candidatures doivent inclure un CV, une lettre de motivation, les relevés de notes de la licence au master et les contacts de deux personnes de référence prêtes à fournir des lettres de recommandation.

[1] [2] [3] ATLAS group at CPPM plays a leading role in the search for new physics at the Large Hadron Collider (LHC). The group is heavily involved in the search for Higgs boson pair production, a crucial signature for better understanding of the mechanism of electroweak symmetry breaking. The discovery of the Higgs boson in at the LHC marked a major milestone in our understanding of particle physics, but many questions remain unanswered.
The search for a new particle decaying into a new scalar particle accompanied by a Higgs boson gives final states similar to those expected for the production of a Higgs boson pair and is a natural part of this effort. The associated production of Z^0 H can also give similar final states and constitutes an irreducible background to the two searches mentioned above. In this context, improving the identification of photons with the ATLAS liquid argon calorimeter is essential. The candidate will have the opportunity to contribute to these efforts by working on real data collected during Run 3 of the LHC, which will end in. This experience will allow them to acquire solid expertise in experimental data analysis and develop a deep understanding of how calorimeters work.
Building on this experience, the candidate will then focus on the search for new particles at the Future Circular Collider (FCC). The FCC is a planned electron-positron collider, with a circumference of 91 km, it will be located meters under the French-Swiss border near Geneva. Its launch, hoped for in, would offer unique opportunities to search for signs of new phenomena, mainly during the first period of operation, planned at the Z^0 pole, at a total energy of 91 GeV. Thanks to its unprecedented luminosity of 2 〖10〗^36 cm^(-2) s^(-1) at this energy, the four planned experiments will record a total of 5 〖10〗^12 Z^0 decays, paving the way for research into its rarest decays.
One of the most promising avenues is the search for ALPs (Axion Like Particles) [1] in Z^0 decays [2][3]. ALPs, predicted by many theories beyond the Standard Model, are candidates for dark matter or for mediating interactions between a so-called dark sector and known particles. At the FCC, the associated production of ALPs with photons or gauge bosons, followed by their decay into two photons or two charged fermions, is a promising signature for their discovery and similar to the signature of Higgs boson pairs, in which the ATLAS group at CPPM is an expert.
The core of this thesis will focus on evaluating the sensitivity of the ALLEGRO concept detector to ALP production. Using detailed Monte Carlo simulations, the candidate will study the various experimental signatures of ALPs and develop optimized analysis strategies to maximize the sensitivity of the experiment. Thanks to the fine granularity of the liquid argon calorimeter planned for ALLEGRO, particular attention will be paid to the reconstruction of displaced vertices from low-mass ALP decays, a region of parameter space that is particularly interesting for exploring new physics scenarios beyond the Standard Model.
Applications must include a CV, a cover letter, transcripts from bachelor's to master's degrees, and the contact details of two references willing to provide letters of recommendation.

[1] [2] [3] de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral