Multivariate study of polarisation states in electroweak vector boson scattering WZ events using ATLAS data at the LHC

Description

Abstract (English)

The spontaneous breaking of the electroweak symmetry gives the $\mathrm{W}$ and $\mathrm{Z}$ bosons a longitudinal polarisation state, in which they behave at high energy like the Goldstone bosons of the unbroken theory. Their scattering is therefore a unique probe of the Standard Model. This thesis presents the first measurement of the longitudinal polarisation states of one or both bosons in $\mathrm{WZjj}\text{-EW}$ processes, using $140~\mathrm{fb}^{-1}$ of ATLAS Run-2 data at $13~\mathrm{TeV}$ combined with $164~\mathrm{fb}^{-1}$ of Run-3 at $13.6~\mathrm{TeV}$. Deep neural networks separate the signal from the background and then disentangle the polarisation states. Their outputs define a two-dimensional discriminant plane, in which an optimised Voronoi binning maximises the sensitivity of a binned maximum-likelihood fit. The fraction of events in which the $\mathrm{Z}$ boson is longitudinally polarised is measured to be $f_{\mathrm{X0}} = 0.324^{+0.092}_{-0.085}$, an observed (expected) significance of $4.0$ ($2.9$) standard deviations and the first evidence for such states in $\mathrm{WZjj}\text{-EW}$. Upper limits at $95\,\%$ confidence level are set on the fractions in which both bosons are longitudinal ($f_{\mathrm{00}} < 0.12$) and in which the $\mathrm{W}$ boson is ($f_{\mathrm{0X}} < 0.19$). The signal strength is $\mu_{\mathrm{WZjj}\text{-}\mathrm{EW}}^{\mathrm{fid.}} = 1.06 \pm 0.18$ and the fiducial cross-section is reported at $13.6~\mathrm{TeV}$ for the first time. A first calibration and identification of forward electrons with the new Inner Tracker (ITk) is also presented, in preparation for Run-4.

Abstract (French)

La brisure spontanée de la symétrie électrofaible confère aux bosons $\mathrm{W}$ et $\mathrm{Z}$ un état de polarisation longitudinale, dans lequel ils se comportent à haute énergie comme les bosons de Goldstone de la théorie non brisée. Leur diffusion constitue ainsi une sonde unique du Modèle Standard. Cette thèse présente la première mesure des états de polarisation longitudinale de l'un ou des deux bosons dans les processus $\mathrm{WZjj}\text{-EW}$, à partir de $140~\mathrm{fb}^{-1}$ de données ATLAS du Run-2 à $13~\mathrm{TeV}$, combinées à $164~\mathrm{fb}^{-1}$ du Run-3 à $13{,}6~\mathrm{TeV}$. Des réseaux de neurones profonds séparent le signal du bruit de fond puis dissocient les états de polarisation. Leurs sorties définissent un plan discriminant à deux dimensions, dans lequel une segmentation de Voronoï optimisée maximise la sensibilité d'un ajustement par maximum de vraisemblance. La fraction d'événements où le boson $\mathrm{Z}$ est polarisé longitudinalement vaut $f_{\mathrm{X0}} = 0{,}324^{+0{,}092}_{-0{,}085}$, soit une significance observée (attendue) de $4{,}0$ ($2{,}9$) déviations standards~: la première mise en évidence de tels états en $\mathrm{WZjj}\text{-EW}$. Des limites supérieures à $95\,\%$ de niveau de confiance sont posées sur les fractions où les deux bosons sont longitudinaux ($f_{\mathrm{00}} < 0{,}12$) et où le boson $\mathrm{W}$ l'est ($f_{\mathrm{0X}} < 0{,}19$). La force du signal vaut $\mu_{\mathrm{WZjj}\text{-}\mathrm{EW}}^{\mathrm{fid.}} = 1{,}06 \pm 0{,}18$ et la section efficace fiducielle est rapportée pour la première fois à $13{,}6~\mathrm{TeV}$. Une première calibration et identification des électrons vers l'avant avec le nouvel Inner Tracker (ITk) est également présentée, en préparation du Run-4.

Table of contents (English)

Introduction
1  The Standard Model
2  The Large Hadron Collider
3  The ATLAS Experiment
4  Machine Learning
5  Electron in ATLAS
6  Polarisation in vector boson scattering
7  Polarisation fraction measurement
Conclusion
Appendices (A to Z)

Methods

Analysis of ATLAS $\mathrm{pp}$ collision data from Run-2 and Run-3

• Monte Carlo event generation and full detector simulation
• Event selection and background estimation
• Multivariate classification with Deep Neural Networks:
  • Signal versus Background 
  • $\mathrm{WZjj}\text{-EW}$ polarisation states ($k$-fold training, Bayesian hyperparameter optimisation, variable ranking)
• Two-dimensional discriminant plane binned with $k$-means clustering and a Voronoi tessellation
• Binned profile-likelihood template fits with systematic uncertainties, combining Run-2 and Run-3

Phase-II performance studies

• Simulation of the ITk and HGTD forward layouts at HL-LHC conditions:
  • Forward electron calibration and identification

Technical info

• Data: ATLAS Run-2 ($\sqrt{s} = 13~\mathrm{TeV}$, 2015--2018, $140~\mathrm{fb}^{-1}$) and Run-3 ($\sqrt{s} = 13.6~\mathrm{TeV}$, 2022--2024, $164~\mathrm{fb}^{-1}$)
• Simulation: MadGraph5_aMC@NLO, Sherpa, Powheg-Box, Pythia, Geant4 in the ATLAS simulation infrastructure
• Software: Athena (ATLAS reconstruction), ROOT, TRExFitter (HistFactory likelihoods)
• Data analysis in Python with Keras/TensorFlow, scikit-learn, NumPy
• Plots in Matplotlib
• Schemes in TikZ
• Thesis production in $\LaTeX{}$