Recherche de quarks vectoriels produits par l'échange de gluons lourds dans le cadre de modèles de Higgs composite avec le détecteur ATLAS

Abstract

Longtemps la pièce manquante du Modèle Standard (MS), le boson de Higgs a finalement été observé par l'expérience ATLAS en 2012. Malgré cette découverte, on a de bonnes raisons théoriques de penser que le MS n'est qu'une théorie effective à basse énergie, et un des objectifs principaux de l'expérience ATLAS reste de comprendre l'origine de la brisure de symétrie électrofaible. Parmi les extensions possibles au MS, les modèles de Higgs composite (CHM) apportent certaines réponses aux problèmes laissés ouverts par le MS, comme le problème de hiérarchie. Les CHM prévoient également l'existence de nouvelles particules dont les quarks vectoriels (VLQs). Les VLQs constituent une des extensions phénoménologiques les plus simples au contenu du MS et sont donc activement recherchés au LHC.

Les défis techniques et logistiques nécessaires pour une telle découverte font du détecteur ATLAS un des appareils les plus sophistiqués au monde. Le détecteur est également conçu pour sonder la physique au-delà du MS et tester les différents modèles théoriques.

Cette thèse présente les résultats obtenus dans la recherche de VLQs $\BH$ de charge $-1/3$, en production simple, via l'échange d'un gluon lourd $G^*$. L'analyse, basée sur une version simplifiée d'un CHM minimal, se concentre sur le processus $pp \to G^* \to \BH\bar b/\bar B_\text{H}b \to H\bbbar \to \bbbar\bbbar$. Les données analysées correspondent à 19.5~$\fb$ de collisions $pp$ effectuées à une énergie dans le centre de masse de $\sqrt s = 8$~TeV. Aucun excès d'événements n'est observé par rapport aux prédictions du MS. Des limites supérieures sur la section efficace et le rapport d'embranchement complet sont imposées. Pour un modèle de référence, une limite inférieure de 2.0~TeV sur la masse du gluon lourd est obtenue dans le cas où $\mg = 2\mb$.

Une analyse supplémentaire sur la recherche de nouvelles résonances se désintégrant en boson de jauge $W$ ou $Z$ et un boson de Higgs pour les états finaux $\nu\nu/\ell\nu/\ell\ell + \bbbar$ est résumée en annexe. Cette recherche a été réalisée dans le contexte de modèles discutés dans cette thèse.

Being the missing piece of the Standard Model (SM) for decades, the Higgs boson was finally observed by the ATLAS experiment in 2012. Despite this discovery, it is justified to think that the SM is an effective theory at low energy scale, and one of the physics goal of the ATLAS experiment is to understand the origin of the electroweak symmetry breaking which the SM fails to explain. The technical and logistic challenges necessary for such a discovery makes the ATLAS detector one of the most sophisticated apparatus in the world. As a multipurpose detector, the ATLAS detector is built to investigate physics Beyond the SM and discover new particles. Composite Higgs models (CHM) are extensions to the SM that shed light on some problems left open, such as the mass hierarchy problem. Composite Higgs models also predict the existence of new particles such as vector-like quarks (VLQs). As one the simplest extension to the SM particle content VLQs are actively search for at the LHC.

This thesis presents the results obtained in the search for the single production of VLQs $\BH$ of charge $-1/3$ through the exchange of a heavy gluon $G^*$. Based on a simplified minimal CHM, the search is performed for the process $pp \to G^* \to \BH\bar b/\bar B_\text{H}b \to H\bbbar \to \bbbar\bbbar$. The dataset corresponds to 19.5~$\fb$ of $pp$ collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt s = 8$~TeV. No significant excess of events with respect to SM predictions is observed. Therefore upper limits on the cross section times branching ratio are set. Using a specific benchmark model, a lower limit of 2.0~TeV on the $G^*$ mass is obtained when $\mg = 2\mb$.