La découverte de nouvelle physique à l'aide de la détection d'anomalies avec l'apprentissage automatique au Grand collisionneur de hadrons

Abstract

La physique des particules est une branche de la science qui est actuellement régie sous un ensemble de lois nommé le \textit{modèle standard} (MS). Il dicte notamment quelles particules existent et comment elles interagissent entre elles. Il permet de prédire toutes sortes de résultats qui sont constamment testés et confirmés par une multitude d'expériences, dont l'expérience ATLAS, au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Toutefois, ce modèle hautement précis et juste ne peut décrire qu'environ 5\% de la matière de l'Univers et s'avère donc incomplet. Les scientifiques passent au peigne fin plusieurs études pour y retrouver de la nouvelle physique, mais en vain. \\

Les théoriciens ne sont pas en reste non plus, et ont concocté plusieurs théories pouvant être vues comme des extensions du modèle standard. Malheureusement, plus de dix ans après la découverte du boson de Higgs au LHC qui venait confirmer la théorie actuelle du MS, aucun signe de ces extensions n'a pu être trouvé. Nous proposons dans ce mémoire d'utiliser l'intelligence artificielle pour aider à trouver certains indices de nouvelle physique. \\

Pour ce faire, nous entraînerons des modèles d'apprentissage automatique \textit{(machine learning)} à reconnaître des signes de la nouvelle physique dans des données réelles ou simulées issues de collisions proton-proton au sein du détecteur ATLAS. Ce détecteur oeuvre au LHC, le plus grand collisionneur au monde, où nos données proviennent d'énergies de centre de masse de \mbox{13 TeV.} Nous utiliserons les quadrivecteurs des particules contenues dans les jets boostés à grand rayon, des amas collimatés de particules présents dans ATLAS, qui pourraient contenir cette fameuse nouvelle physique. Dans ce mémoire, nous tenterons entre autres de retrouver des signaux de quarks top ainsi que de particules hypothétiques issues d'un modèle avec un secteur étendu du boson de Higgs. \\

Actuellement, nos modèles sont capables de bien distinguer le signal du bruit de fond. Toutefois, les résultats sont corrélés à la masse des jets et toute tentative pour contrecarrer cette corrélation diminue de beaucoup la discrimination du signal et du bruit de fond. De plus, nous devrons améliorer le rejet du bruit de fond pour espérer retrouver de la nouvelle physique dans les données d'ATLAS. \\

\textbf{Mots-clés : physique des particules, LHC, Grand collisionneur de hadrons, ATLAS, CERN, intelligence artificielle, apprentissage automatique, réseau de neurones, auto-encodeur variationnel, anomalies, jet boosté, jet à grand rayon}

Particle physics is currently governed by a set of laws called the Standard Model. This model notably includes which particles exist and how they interact with one another. It also allows the prediction of many results which are constantly tested and confirmed by all kinds of experiments, like the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). However, this highly precise model can only describe 5\% of the Universe, so it is incomplete. Scientists across the globe analyzed all kinds of data to find new physics, but to no avail. \\

Theorists also aren't resting, and have concocted many new theories which can be seen as Standard Model extensions. Unfortunately, more than ten years after the discovery of the Higgs boson at LHC that confirmed the last bits of the Standard Model, no signs of these extensions have been found. In light of this, we propose to use artificial intelligence to help us find signs of new physics. \\

To perform this task, we will train machine learning models to recognize signs of new physics inside real or simulated data originating from proton-proton collisions in the ATLAS detector. This detector operates at LHC, the biggest particle collider in the world, where our data will come from center-of-mass energies of \mbox{13 TeV.} We will use four-vectors of particles contained within large radius and boosted jets, which are dense streams of particles present in ATLAS and where new physics might hide. In this dissertation, we will notably try to find signals of top quarks and hypothetical particles originating from a model with an extended Higgs boson sector. \\

Currently, our models are able to distinguish between signal and background noise. However, these results are heavily correlated to jet mass, and any attempt at diminishing this correlation yields worse discriminating power between signal and background. We will also need to improve the background rejection to hope find new physics in the ATLAS data. \\

\textbf{Keywords : particle physics, LHC, ATLAS, CERN, artificial intelligence, deep learning, neural network, variational autoencoder, anomaly, boosted jet, large radius jet}