Soutenance de thèse de Nghia NGUYEN

Le travail réalisé dans le cadre du projet de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur deux analyses de physique partageant le même état final, une dans le cadre du Modèle Standard (SM) et une autre au-delà du SM. Le quark top, le plus lourd fermion élémentaire du SM, présente le plus grand couplage Yukawa (y_t), proche de l’unité, au boson de Higgs. La mesure précise de y_t, et donc la connaissance de cette valeur, est intimement liée à des questions fondamentales comme celle de la stabilité du vide. Au LHC, cette valeur est directement accessible grâce à la mesure du processus rare de production associée d’une paire de quarks top et du boson de Higgs (ttH) : la seule possibilité de mesurer le couplage de Yukawa du quark top au niveau de l’arbre. En 2018, la production de ttH a été mesurée pour la première fois par les expériences ATLAS et CMS avec une signification observée (attendue) de 6,3 (5,1) et 5,2 (4,2) écarts types respectivement. La recherche de ttH avec les deux quarks top se désintégrant hadroniquement, et le boson de Higgs se désintégrant en paire de quark b est présentée. Une stratégie d’analyse basée sur une approche multivariée est réalisée afin de discriminer le signal des bruits de fonds dominants. Cette recherche a déjà été réalisée par ATLAS au Run 1 et a consuit à une mesure de l’intensité du signal (μ) de μ=1.6+2.6-2.6. La recherche présentée dans cette thèse a été rálisée à partir des données recueillies par le détecteur ATLAS au Run 2 qui correspond à une luminosité intégrée de 139 femptobarn inverse et à une énergie au CM de 13 TeV. Utilisant les données d’Asimov, une valeur attendue de μ = 1.00 2.1−2.4 est obtenue. Une limite supérieure attendue de 4,4 fois la prédiction du SM à 95% de niveau de confiance sur la section efficace du signal ttH a été obtenue. La masse du boson de Higgs reçoit des corrections radiatives de processus de boucles quantiques dans lesquels la contribution du quark top est la plus importante. Cependant, cela conduit à l’apparition d’un important terme de coupure par rapport à la masse de boson de Higgs mesurée de 125 GeV. Un réglage fin non naturel est nécessaire pour annuler ce terme de coupure. C’est ce qu’on appelle communément le problème de naturalité. D’un point de vue théorique, cependant, cette question peut être résolue avec l’hypothèse de l’existence d’un partenaire du quark top. Parmi les nombreux modèles théoriques au-delà du SM (BSM) qui pourraient fournir aux particules les mêmes nombres quantiques que le quark top, la supersymétrie (SUSY) peut apporter une solution élégante au problème de naturalité par l’existence d’un quark top scalaire (stop), si celui-ci a une masse inférieure 1 TeV. Ce modèle permet également une unification à grande échelle d’énergie des trois interactions fondamentales que sont l’interaction électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction forte. L’un des scénarios viables proposés par le modèle SUSY, la violation de la parité R (RpV), est aujourd’hui davantage envisagé puisque le scénario de conservation de la parité R (RpC) a été fortement contraint par les données expérimentales. RpV SUSY implique des opérateurs RpV trilinéaires qui pourraient conduire à un signal multi-b-jet avec zéro lepton. Ce signal, qui n’a jamais été étudié auparavant, pourrait être détecté au LHC. Le deuxième travail présenté dans cette thèse se concentre sur ce scénario avec la recherche d’une paire de partenaires scalaires du quark top (stop) se désintégrant en deux quarks b et deux charginos se désintégrant ensuite en deux quarks b et un quark léger qui conduit expérimentalement à un état final avec au moins huit jets et au moins six b-jets. La stratégie d’analyse est basée sur le comptage du nombre d’événements avec une grande multiplicité en jets et en b-jets. Des limites supérieures attendues à 95% CL sont obtenues sur les sections efficaces de la grille de masses des particules supersymétriques stop et chargino produits.

The work performed in the framework of the thesis project presented in this manuscript cover two physics analysis channels sharing the same final state, one within the SM and the other beyond the SM. The top quark, the heaviest SM elementary fermion, presents the largest Yukawa coupling (y_t), close to unity, to the Higgs boson. The precise measurement of y_t, and therefore the knowledge of this value is intimately linked to fundamental questions such as the lifetime of our universe. At the LHC this value is directly accessible with the measure of the rare associated production of a top pair and the Higgs boson (ttH): the only possibility of measuring the top quark Yukawa coupling at tree level. In 2018, the ttH production has been measured for the first time by ATLAS and CMS experiments with an observed (expected) significance of 6.3 (5.1) and 5.2 (4.2) standard deviations respectively. In this thesis, I present the search for ttH where the two top quarks decay hadronically, and the Higgs boson decays into b-quark pair. A multivariate analysis strategy is performed in order to discriminate the signal from the dominant backgrounds. This search has been already performed by ATLAS in Run 1 and resulted in a measured signal strength (μ) of μ=1.6+2.6-2.6. The search presented in this thesis is carried out using data collected by the ATLAS detector in Run 2 which corresponds to an integrated luminosity of 139 inverse femptobarn at the CoM energy of 13 TeV. An expected value of μ=1.00+2.1-2.4 using Asimov data is obtained. The expected upper limit at 95$%$ Confidence Level on the ttH signal cross-section is expected to be 4.4 times the SM prediction. The Higgs boson's mass receives radiative corrections from quantum loop processes in which the contribution from the top quark loops are the largest. However, this leads to the appearance of an enormous cutoff term compared to the measured Higgs boson mass of 125 GeV. An unnatural fine-tuning is required to cancel the cutoff term. This issue is referred to as the naturalness problem. From a theoretical point of view, however, this issue can be solved with the hypothesis of the existence of a top-quark partner. Among the several theories beyond the SM (BSM) developed as extensions to the SM which could provide particles with the same quantum numbers as the top quark, Supersymmetry (SUSY) can provide an elegant solution to the naturalness problem via the existence of a scalar top quark (stop), if the latter comes with a mass within 1 TeV, it also suggests the possibility for a unification at high energy scale of the three fundamental interactions namely electromagnetic, weak and strong interaction. One of the viable scenarios proposed by the SUSY Model, the R-parity violation (RpV), is nowadays more considered since the more striking R-parity conserving (RpC) scenario has been heavily constrained by experimental data. RpV SUSY involves trilinear RpV operators that could lead to multi-b-jet signal with zero lepton which could be detected at the LHC has not been studied yet. The work presented in this thesis focuses on this scenario with the search of a pair of scalar top partners (stop) decaying into two b-quarks and two charginos subsequently decaying into two b-quarks and a light-quarks which experimentally result in a final state signature with at least eight jets and at least six b-jet. The analysis strategy is based on counting the number of events in high jet and b-tagged jet multiplicity. The expected upper limits at 95$%$ CL are placed on the cross-sections of the produced stop and chargino mass grid.