Measurement of triboson production in the multilepton final state and electron studies with the CMS experiment at the LHC
Mesure de la production de trois bosons massifs et identification des électrons avec le détecteur CMS auprès du LHC
Résumé
This thesis reports on the measurement of the production of three massive gauge bosons in proton-proton collisions at 13 TeV with the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC). The thesis work focuses on the production of two W bosons and one Z boson (WWZ), decaying to either electrons or muons. This process has relatively little reducible background because of the fully reconstructed Z boson, and a higher production cross-section than processes with more Z bosons. The measurement considers 137 inverse femtobarn of collision data recorded during the second LHC run (2015 - 2018).The production of three massive gauge bosons is a so-far unobserved phenomenon predicted by the standard model of particle physics. The process is sensitive to the trilinear and quartic gauge couplings, which might be modified by physics beyond the standard model. Additionally, triboson production is an increasingly important background to both direct searches for new physics and standard model precision measurements.While trilinear gauge couplings are also accessible via diboson production, probing quartic couplings requires the measurement of Vector Boson Scattering (VBS) or triboson production. The VBS process better isolates the vector boson self-couplings, whereas triboson production is mainly affected by diagrams without any vector boson self-interaction. However, this plays a minor role in searches for new physics at energy scales beyond the electroweak scale, where triboson production has the advantage of probing a more massive final state.The analysis presented in this thesis establishes evidence for the WWZ final state with a significance of 3.35 standard deviations (1.31 standard deviations if the vector bosons are required to be on-shell). Combined with other analyses covering the remaining massive triboson final states, this measurement contributed to observing the production of three massive gauge bosons with a significance of 5.67 standard deviations (2.90 standard deviations for on-shell vector bosons). All results are in agreement with the standard model predictions. Beyond that, this thesis presents studies of the WWZ processes sensitivity to anomalous quartic gauge couplings in an effective field theory framework.Triboson production is a rare process that requires high electron and muon identification efficiencies. Among these two types of leptons, electrons are more challenging to measure. Therefore, this thesis includes a rigorous update and optimization of the multivariate electron selection based on the Boosted Decision Tree (BDT) algorithm, applied within the CMS collaboration since the beginning of LHC data-taking. As a result, the identification of electrons remains very performant, even at a significant increase in the number of proton-proton interactions per bunch crossing. The multivariate electron identification algorithm produced for this thesis is now the default for CMS analyses with data from the second LHC run.
Cette thèse présente la mesure de la production de trois bosons de jauge massifs dans des collisions entre protons à 13 TeV avec l'expérience CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Le travail de cette thèse se concentre sur la production de deux bosons W et d'un boson Z (WWZ), où les trois bosons se désintègrent en électrons ou en muons. Ce processus a un bruit de fond réductible relativement faible car le boson Z est entièrement reconstruit, et une section efficace plus élevée que les processus avec plusieurs bosons Z. L'analyse couvre 137 femtobarns inverses de données enregistrées pendant la deuxième phase d’exploitation du LHC (2015 - 2018).La production de trois bosons de jauge massifs est un phénomène qui n'a pas encore été observé, mais elle est prédit par le modèle standard de la physique des particules. Ces mesures sont donc un test du modèle standard et un défis de sensibilité. Ce processus est sensible aux couplages de jauge trilinéaired et quartiques, qui pourraient être modifiés par la physique au-delà du Modèle Standard. En outre, la production de tribosons est un bruit de fond de plus en plus important pour les recherches directes de nouvelles physiques et les mesures de précision du modèle standard.Les couplages de jauge trilinéaires sont également accessibles dans le processus diboson, mais le sondage des couplages quartiques nécessite la mesure de la diffusion de bosons massifs (VBS) ou de la production de tribosons. Le processus VBS isole bien les auto-couplages des bosons massifs, mais la production de triboson est dominée par des diagrammes sans aucun auto-couplage. Cependant, cela joue un rôle mineur dans les recherches de nouvelles physiques aux échelles d'énergie au-delà de l'échelle électrofaible, où la production de tribosons a l'avantage de sonder un état final plus massif.L'analyse présentée dans cette thèse établit la production WWZ avec une signification statistique de 3.35 écarts-types, qui est réduit à 1.31 écarts-types si les bosons sont non-virtuels. Combinée avec d'autres analyses couvrant les autres états finals de tribosons, cette mesure a contribué à une observation d'une signification statistique de 5.67 écarts-types de la production de trois bosons de jauge massifs (2.90 écarts-types pour les bosons non-virtuels). Les résultats sont en accord avec les prédictions du modèle standard. De même, cette thèse présente des études sur la sensibilité du processus WWZ aux couplages de jauge quartiques anormaux dans le cadre d'une théorie effective des champs.Comme la production de triboson est un processus rare, sa détection requiert une bonne efficacité d'identification des électrons et des muons. Parmi ces deux types de leptons, les électrons sont les plus difficiles à mesurer. Par conséquent, ce travail de thèse inclut une amélioration rigoureuse de la sélection d'électrons multivariée basée sur l'algorithme Boosted Decision Tree (BDT), utilisé dans le cadre de la collaboration CMS depuis la première période d’exploitation du LHC. Cette optimisation permet ainsi de conserver une identification des électrons très performante dans la deuxième période malgré le fait que le nombre d’interactions proton-proton par croisement de faisceaux de particules a considérablement augmenté. L'algorithme d'identification d'électrons multivariée développé dans cette thèse est désormais devenu l'algorithme standard dans les analyses de CMS pour toutes les données de la deuxième phase du LHC.
Origine : Version validée par le jury (STAR)