Jet calibration, measurement of production cross sections, and study of jet substructure with ATLAS, prospects at the FCC-ee
Authors/Creators
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1.
Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies
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2.
Sorbonne University
Description
The Standard Model (SM) of particle physics describes the fundamental particles that make up matter, along with three of the four fundamental forces.
So far, it has been very successful, with its predictions confirmed by a wide range of experimental results, but it does not provide explanations for several open questions in fundamental physics.
This thesis explores a strategy for testing the SM: comparing its predictions with high-precision measurements.
It focuses specifically on jets, an essential component of the Quantum Chromodynamics (QCD) sector of the SM, allowing to probe the latter at the smallest distances accessible in laboratory.
The analyses are based on data collected by the ATLAS experiment at CERN, using proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, recorded during Run-2 of the LHC.
Jets are among the most prominent observables at the LHC.
They are collimated sprays of particles resulting from the hadronisation of quarks or gluons, leaving tracks in the tracking detectors and depositing energy in the calorimeters.
To reconstruct the originating jet, these signals are clustered into what are known as ``reconstructed jets''.
However, reconstructed jets differ from the original particle-level jets due to detector effects.
To ensure meaningful comparisons between theoretical predictions and experimental results, these effects must be corrected through a precise calibration process and the unfolding of the resolution effects.
I have worked on the $\eta$-intercalibration, a step in the jet calibration procedure that aims to ensure a uniform response across the full detector acceptance.
I derived the calibration on Run-2 and Run-3 data, developing a new trigger strategy for the latter.
To improve the robustness of the method, I extended the overconstrained system used to extract the calibration factors by incorporating additional terms and implementing a compatibility test among them.
In addition, I developed a more reliable method for estimating the statistical uncertainties on the calibration factors.
This approach allows for the study of their correlations.
I have contributed to the differential measurement of the inclusive jet production cross section.
A precise quantitative comparison of the measured spectra with theoretical prediction allows the extraction of the strong coupling constant $\alpha_S$.
My work focused on the unfolding of the data, a procedure that statistically corrects for detector effects to recover the particle-level distribution.
I evaluated the unfolding bias, introduced by differences in shape between data and simulation and propagated the systematic uncertainties through the unfolding process.
In addition, I propagated the corrected statistical uncertainties of the $\eta$-intercalibration factors, which I previously derived, to this measurement.
I have worked on the measurement of the Lund Jet Plane (LJP), a powerful jet substructure observable that maps the phase space of emissions inside a jet in terms of their momentum fraction and opening angle.
The LJP is sensitive to $\alpha_S$ and its running with energy, making it a valuable tool for precision QCD studies.
In this analysis, I was responsible for the unfolding of the data and the propagation of systematic uncertainties.
I also evaluated the unfolding bias and used this information to optimise the parameters of the unfolding procedure.
Finally, I conducted jet studies in the context of the Future Circular Collider in its electron–positron collision phase (FCC-ee).
The clean and well-controlled experimental environment of the FCC-ee provides an ideal setting for high-precision analyses of jet production and evolution.
In this framework, I studied the projected sensitivity to $\alpha_S$ using jet-based observables: $R_{3/2}$ the ratio of cross sections for events with at least three jets to those with at least two jets, and the LJP.
Abstract (French)
Le modèle standard (MS) de la physique des particules décrit les particules fondamentales qui composent la matière, ainsi que trois des quatre forces fondamentales.
Jusqu'à présent, il a connu un succès remarquable, ses prédictions étant confirmées par beaucoup de résultats expérimentaux, mais il ne fournit pas d'explications pour plusieurs questions ouvertes en physique fondamentale.
Cette thèse explore une stratégie pour tester le MS: comparer ses prédictions théoriques avec des mesures de haute précision.
Elle se concentre spécifiquement sur les jets, une composante essentielle de la chromodynamique quantique (QCD) du MS, permettant de sonder ces derniers aux plus petites distances accessibles en laboratoire.
Les analyses sont basées sur les données collectées par l'expérience ATLAS au CERN, utilisant des collisions proton-proton à une énergie au centre de masse de 13 TeV, enregistrées pendant le Run-2.
Les jets sont de gerbes collimatées de particules résultant de l'hadronisation de quarks ou de gluons, qui déposent des traces dans les trajectographes et de l'énergie dans les calorimètres.
Pour reconstruire le jet de particule, ces signaux sont regroupés dans ce que l'on appelle les ''jets reconstruits``.
Cependant, les jets reconstruits diffèrent des jets de particules en raison d'effets de détecteurs.
Pour garantir des comparaisons fiables entre les prédictions théoriques et les résultats expérimentaux, ces effets doivent être corrigés par un processus d'étalonnage précis et l'unfolding des effets de résolution.
J'ai travaillé sur l'intercalibration en $\eta$, une étape de l'étalonnage des jets qui vise à assurer un étalonnage uniforme sur l'ensemble du détecteur.
J'ai obtenu l'étalonnage sur les données du Run-2 et Run-3.
Pour améliorer la robustesse de la méthode, j'ai étendu le système surcontraint utilisé pour extraire les facteurs d'étalonnage en incorporant des termes supplémentaires et en mettant en place un test de leur compatibilité.
En outre, j'ai développé une méthode plus fiable pour estimer les incertitudes statistiques sur les facteurs d'étalonnage.
Cette approche permet d'étudier leurs corrélations.
J'ai contribué à la mesure différentielle de la section efficace de production de jets.
Une comparaison quantitative précise des spectres mesurés avec les prédictions théoriques permet d'extraire la constante de couplage fort, $\alpha_S$.
Mon travail s'est concentré sur l'unfolding des données, une procédure qui corrige statistiquement les effets du détecteur pour obtenir la distribution au niveau des particules.
J'ai évalué le biais d'unfolding, introduit par les différences de forme entre les données et la simulation, et j'ai propagé les incertitudes systématiques à travers l'unfolding.
En outre, j'ai propagé les incertitudes statistiques corrigées des facteurs d'intercalibration en $\eta$, que j'avais précédemment dérivées, à cette mesure.
J'ai travaillé sur la mesure du Lund Jet Plane (LJP), qui décrit la sous-strucure des jets en cartographiant l'espace de phase des émissions à l'intérieur d'un jet en termes de leur fraction de quantité de mouvement et de leur angle d'ouverture.
Le LJP est sensible à $\alpha_S$ et à son évolution avec l'énergie.
Dans cette analyse, j'étais responsable de l'unfolding des données et de la propagation des incertitudes systématiques.
J'ai aussi évalué le biais de l'unfolding et l'ai utilisé pour optimiser les paramètres de la procédure d'unfolding.
Enfin, j'ai mené des études sur les jets dans le contexte du futur collisionneur circulaire dans sa phase de collision électron-positron (FCC-ee).
L'environnement expérimental propre et bien contrôlé du FCC-ee offre un cadre idéal pour des analyses de haute précision de la production et de l'évolution des jets.
Dans ce cadre, j'ai éstimé la sensibilité à $\alpha_S$ en utilisant des observables basées sur les jets: $R_{3/2}$ le rapport des sections efficaces pour les événements avec au moins trois jets à ceux avec au moins deux jets, et le LJP.
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- Translated title (French)
- Étalonnage, mesure des sections efficaces de production et étude de la sous-structure des jets avec les données d'ATLAS, perspectives au FCC-ee
Related works
- Is identical to
- Thesis: 3089948 (Inspire)
CERN
- Department
- PH - Physics Department
- Programme
- No program participation
- Experiment
- ATLAS , FCC