Properties of the Higgs boson in the 4 leptons final state with the ATLAS experiment at the LHC : mass, limit on the high mass contribution and on the Higgs width

Le thème des analyses présentées dans ce document est la mesure des propriétés du boson de Higgs se désintégrant dans le mode H→ZZ→4l dans l'expérience ATLAS au CERN. Le document commence par un résumé détaillé concernant la procédure d'étalonnage des électrons: l'algorithme de combinaison trace-cluster améliore la résolution en énergie (surtout pour les électrons ayant une faible énergie transverse) en exploitant les informations du cluster et de la trace dans un ajustement par maximum de vraisemblance. L'amélioration en résolution est approximativement de 18-20% pour les désintégrations du J/Ψ en di-électrons, et 3% pour Z→ee. Par la suite, la combinaison E-p est appliquée au canal H→ZZ→4l avec électrons dans l'état final permettant d’obtenir un gain modéré sur la distribution de la masse invariante (4-5%). En deuxième lieu, la masse du boson de Higgs et sa largeur sont estimées, en particulier afin de comprendre les effets apportés par l'utilisation de l'algorithme de combinaison trace-cluster. La masse a été calculée en se servant d'un ajustement à deux dimensions appliqué sur la masse invariante m4l et un score de discrimination du signal contre le bruit de fond ZZ*. Cette discrimination est obtenue en exploitant les corrélations angulaires dont les distributions sont sensibles au spin et à la parité du boson de Higgs. L’étude sur la largeur du boson est ensuite détaillée : les résultats sont basés sur une approche qui vise à contraindre cette largeur en analysant la région de haute masse m4l où le boson de Higgs se comporte comme un propagateur. La section efficace au pic de la résonance (« on-shell ») dépend de la largeur totale du boson de Higgs, ce qui n’est pas le cas pour la production dans la région de haute masse (« off-shell »). Par conséquent, des limites indirectes sur la largeur peuvent être déterminées en combinant les régions « on-shell » et « off-shell ». Une limite à 6.7 fois la largeur Higgs ΓSMH est obtenue via le canal 4l. En combinant la mesure « on-shell » avec tous les canaux de désintégration étudiés (notamment ZZ→4l, ZZ→2l2ν and WW→lνlν), les résultats aboutissent à une limite observée (attendue) sur la largeur totale de 22.7 (33.0) MeV. La dernière partie de ce travail de thèse est consacrée à l'analyse sur la largeur du boson de Higgs en quatre leptons à haute (High-Luminosity LHC) luminosité intégrée (respectivement 300 fb⁻¹ et 3000 fb⁻¹) : il s’agit d’une étude extrapolant à √s =14 TeV les techniques utilisées pour l’analyse à 8 TeV (Run 1).The theme of the analyses presented in this Thesis is the measurement of the Higgs boson properties in the H→ZZ→4l decay channel with the ATLAS experiment at the LHC. A detailed overview on the electron calibration process is first presented. In this regard, the track-cluster combination algorithm is found to improve the energy resolution of low ET electrons by exploiting both track and cluster information into a maximum likelihood fit. The improvement in resolution is approximately 18-20% for J/Ψ dielectron decays, and of the order of 3% for Z→ee events. In addition, the E-p combination algorithm has also been applied to the H→ZZ→4l channel with electrons in the final state resulting in a non-negligible gain on the invariant mass distribution (4-5%). Secondly, the Higgs mass and its total width are evaluated in the H→ZZ→4l channel. The Higgs mass is measured in the 4l decay channel with particular interest on the beneficial effects brought by the improved electron calibration and the track-cluster combination. The mass on the full 2011 and 2012 datasets is worked out with a 2-dimensional fit on the invariant mass of the 4 lepton final state, m4l, and on a boosted decision tree (BDT)-based output conceived against the main ZZ irreducible background and constructed on variables that are sensitive to the Higgs boson spin-parity state. Regarding the Higgs width, results are based on a relatively recent approach aimed at indirectly constraining the Higgs boson width by exploiting the m4l high-mass region where the Higgs boson acts as a propagator. The Higgs production cross section in the on-shell m4l region, where the Higgs boson is a resonance, depends on the total Higgs width, whereas this is not the case for the high mass m4l (off-shell). Limits on the Higgs width can be therefore set when merging the off-shell results with the on-shell ones. A limit of ∼ 6.7 times ΓSMH is obtained in the four lepton channel. Secondly, by combining with the on-shell measurement and using all the decay channels in the analysis, i.e. ZZ→4l, ZZ→2l2ν and WW→lνlν, the results lead to an observed (expected) 95% C.L. upper limit on the Higgs boson total width of 22.7 (33.0) MeV (4.2 MeV is the Standard Model predicted Higgs width at mH=125 GeV).The last section of the thesis is devoted to the evaluation of the Higgs width at √s=14 TeV in the high luminosity scenario (High Luminosity LHC), 300 fb⁻¹ and 3000 fb⁻¹, by employing the same techniques exploited in the previous Run 1 analysis at √s=8 TeV