京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22999号 / 理博第4676号 / 新制||理||1671(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査) 長野 邦浩, 教授 中家 剛, 准教授 吉岡 興一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

The development of quantum machine learning is bridging the way to fault tolerant quantum computation by providing algorithms running on the current noisy intermediate scale quantum devices.However, it is difficult to find use-cases where quantum computers exceed their classical counterpart.The high energy physics community is experiencing a rapid growth in the amount of data physicists need to collect, store, and analyze within the more complex experiments are being conceived.Our work approaches the study of a particle physics event involving the Higgs boson from a quantum machine learning perspective.We compare quantum support vector machine with the best classical kernel method grounding our study in a new theoretical framework based on metrics observing at three different aspects: the geometry between the classical and quantum learning spaces, the dimensionality of the feature space, and the complexity of the ML models.We exploit these metrics as a compass in the parameter space because of their predictive power. Hence, we can exclude those areas where we do not expect any advantage in using quantum models and guide our study through the best parameter configurations.Indeed, how to select the number of qubits in a quantum circuits and the number of datapoints in a dataset were so far left to trial and error attempts.We observe, in a vast parameter region, that the used classical rbf kernel model overtakes the performances of the devised quantum kernels.We include in this study the projected quantum kernel - a kernel able to reduce the expressivity of the traditional fidelity quantum kernel by projecting its quantum state back to an approximate classical representation through the measurement of local quantum systems.The Higgs dataset has been proved to be low dimensional in the quantum feature space meaning that the quantum encoding selected is not enough expressive for the dataset under study.Nonetheless, the optimization of the parameters on all the kernels proposed, classical and quantum, revealed a quantum advantage for the projected kernel which well classify the Higgs boson events and surpass the classical ML model. / Utvecklingen inom kvantmaskininlärning banar vägen för nya algoritmer att lösa krävande kvantberäkningar på dagens brusfyllda kvantkomponenter. Däremot är det en utmaning att finna användningsområden för vilka algoritmer som dessa visar sig mer effektiva än sina klassiska motsvarigheter. Forskningen inom högenergifysik upplever för tillfället en drastisk ökning i mängden data att samla, lagra och analysera inom mer komplexa experiment. Detta arbete undersöker Higgsbosonen ur ett kvantmaskinsinlärningsperspektiv. Vi jämför "quantum support vector machine" med den främsta klassiska metoden med avseende på tre olika metriker: geometrin av inlärningsrummen, dimensionaliteten av egenskapsrummen, och tidskomplexiteten av maskininlärningsmetoderna. Dessa tre metriker används för att förutsäga hur problemet manifesterar sig i parameterrummet. På så vis kan vi utesluta regioner i rummet där kvantalgoritmer inte förväntas överprestera klassiska algoritmer. Det finns en godtycklighet i hur antalet qubits och antalet datapunkter bestämms, och resultatet beror på dessa parametrar.I en utbredd region av parameterrummet observerar vi dock att den klassiska rbf-kärnmodellen överpresterar de studerade kvantkärnorna. I denna studie inkluderar vi en projicerad kvantkärna - en kärna som reducerar det totala kvanttillståndet till en ungefärlig klassisk representation genom att mäta en lokal del av kvantsystemet.Den studerade Higgs-datamängden har visat sig vara av låg dimension i kvantegenskapsrummet. Men optimering av parametrarna för alla kärnor som undersökts, klassiska såväl som kvantmekaniska, visade på ett visst kvantövertag för den projicerade kärnan som klassifierar de undersöka Higgs-händelserna som överstiger de klassiska maskininlärningsmodellerna.

Le boson de Higgs dans le mode de désintégration WW* est observé avec un excès d'événements sur le bruit de fond de 6,1 écarts-types dans l'état final avec dilepton, alors que l’importance du signal attendu pour le boson de Higgs du modèle standard est de 5,8 écarts-types. Une indication pour la production du processus en fusion de bosons vecteurs (VBF) est également obtenue avec une importance de 3,2 écarts-types. Les résultats sont obtenus à partir d'un échantillon de données en collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS au LHC, qui correspond à une luminosité intégrée de 4,5fb-1 à √s = 7 TeV et 20,3fb-1 à √s = 8 TeV. Tous les canaux de saveur leptonique (ee/μμ et eμ/μe)) sont analysés, y compris de différentes catégories en multiplicité de jets (nj = 0, 1,≥ 2). Les canaux ayant différentes saveurs leptoniques eμ/μe ont la meilleure sensibilité au signal. Les catégories à basse multiplicité de jet sont contribuées principalement par la production du processus en fusion de gluon-gluon (ggF), tandis que la catégorie à haute multiplicité est plus sensible à la production VBF. Les bruits de fond dans différents canaux et catégories varient et leurs contributions sont obtenues dans la plupart de cas à partir des données avec des régions de contrôle ou validation. Les bruits de fond dominants sont les productions WW et le quark top. Dans les canaux ayant la même saveur leptonique, la contribution Drell-Yan est aussi une autre source importante. Pour le boson de Higgs à 125,36GeV, le rapport du signal mesuré sur celui du modèle standard est de 1,09+0,16-0,15 (stat.) +0,17-0,14 (syst.). Les rapports correspondants pour les productions ggF et VBF sont de 1,02±0, 19 (stat.) +0,22-0,18 (syst.) et 1,27+0,44-0,40 (stat.) +0,30-0,21 (syst.), respectivement. La section efficace totale mesurée à √s = 8 TeV est de σ(gg → H → WW∗) =8TeV est de σ(gg → H → WW∗) et σ(VBFH → WW∗) = 0,51+0,17−0,15 (stat.)+0,13−0,08 (syst.) pb. La section efficace fiducielle est aussi mesurée pour la production ggF dans l'était final exclusif avec zéro ou un seul jet. En plus des couplages, d'autres propriétés du boson de Higgs, notamment le nombre quantique de spin et la largeur totale de désintégration, sont également étudiées en utilisant les données de 8TeV et les canaux ayant différentes saveurs leptoniques seulement. L'étude du spin est basée sur un échantillon de données dominé par les événements sous le pic de résonance en utilisant les catégories de jet nj ≤ 1. L'hypothèse sur le spin-parité JCP = 0++ du modèle standard est comparée à d'autres hypothèses. Les données sont compatibles avec le modèle standard et les limites sont placées sur des hypothèses alternatives de spin. Les événements dans la queue hors pic de résonance à haute masse dans la catégorie inclusive de jet sont ensuite utilisés pour mesurer les couplages du boson de Higgs hors de sa couche de masse et pour imposer une contrainte sur la limite supérieure de la largeur totale du boson de Higgs, lorsque certaines hypothèses sont faites / The Higgs boson decays to WW* is observed based on an excess of events over background of 6.1 standard deviations in the dilepton final state including all flavour channels (ee/μμ and eμ/μe) and jet multiplicity categories (nj = 0, 1,≥ 2), where theStandard Model expectation is 5.8 standard deviations. Evidence for thevector-boson fusion (VBF) production process is also obtained with a significance of3.2 standard deviations. The different favour channels eμ/μe have the best expected signal sensitivity. The low jet multiplicity categories are dominantly contributed by the gluon-gluon fusion (ggF) production process whereas the large jet multiplicity category has the best sensitivity to the VBF production process. The results are obtained from proton-proton collision data recorded by the ATLAS detector at the LHC, corresponding to 4.5fb-1 at √s = 7TeV and 20.3fb-1 at √s = 8TeV. The background contribution in each channel and jet multiplicity category varies and is determined mostly with data-driven techniques with dedicated control or validation regions. The dominant background processes are the continuum WW and top quark productions. In the same flavour channels (ee/μμ), the Drell-Yan process is another important background source. For a Higgs boson mass of 125.36GeV, the ratio of the measured value to the expected value of the total production cross section times branching ratio fraction is 1.09+0.16-0.15 (stat.) +0.17-0.14 (syst.). The corresponding ratios for the gluon fusion and vector-boson fusion production modes are 1.02 ± 0.19 (stat.)+0.22−0.18 (syst.) and 1.27+0.44-0.40 (stat.) +0.30-0.21 (syst.), respectively. At √s = 8TeV, the total production cross section is measured to beσ(gg → H → WW∗) = 4.6±0.9 (stat.)+0.8−0.7 (syst.) pb σ(VBFH → WW∗) = 0.51+0.17−0.15 (stat.)+0.13−0.08 (syst.) pb. The fiducial cross section is determined for the gluon-fusion process in exclusive final states with zero and one associated jet. In addition to the on-shell couplings, other properties of the Higgs boson, namely the spin quantum number and the total decay width, are also studied using the 8TeV data and the different flavour channels only. The spin study is based on the on-shell dominated event sample using the nj ≤ 1 jet categories. The Standard Model spin-parity JCP = 0++ hypothesis is compared with alternative hypotheses. The data are found to be consistent with the Standard Model and limits are placed on alternative spin hypotheses.The off-shell events in the high mass tail from the inclusive jet category are then used to measure the off-shell couplings and impose a constraint on the upper limit of the total width of the Higgs boson indirectly, when certain assumptions are made.

De nombreuses recherches ont été consacrées aux signatures des modèles supersymétrique depuis le Run1 du LHC qui a fourni des données à 7 et 8 TeV. Parmi ceux-ci, la recherche du chargino-neutralino (C1, N2) dans les états finals avec 1 lepton, 2 b-jets compatibles avec un boson de Higgs et une énergie transverse manquante. L'analyse des données collectées par ATLAS à 8 TeV en 2012 a permis d'exclure à 95% C.L. les modèles simplifiés pour lesquels le neutralino le plus léger (N1) est non massif et les C1, N2 sont de moins de 250 GeV. La présente analyse utilise les données collectées par ATLAS en 2015, 2016 et montre une meilleure sensibilité au signal due à l’augmentation de l'énergie des collisions au Run 2 jusqu'à 13 TeV. Cependant, les résultats sont compatibles avec les prédictions du modèle standard et ainsi les limites sur les masses de C1, N2 sont élevées et permettent d'exclure a 95% C.L. les modèles avec C1, N2 de moins de 680 GeV pour un N1 non massif. L'identification des b-jets joue un rôle important dans cette analyse. Dans cette thèse, on présente aussi des études sur la robustesse des performances du b-tagging avec diverses conditions de détection pour le détecteur a pixels, le plus important pour l'étiquetage de saveur des jets. Comme la plupart des recherches SUSY au LHC, cette analyse est effectuée en utilisant un modèle simplifié, ainsi le spectre de masse est choisi manuellement et les désintégrations SUSY considérées sont forcées. Suspect3 est l'un des outils théoriques utilisés pour interpréter les résultats de la recherche en modèles SUSY réalistes. Cette thèse présente la version SuSpect3 post-découverte du Higgs que nous développons. / During the LHC 8 TeV Run1, many searches were dedicated to the supersymmetric models. Among those, the search for the chargino-neutralino (C1, N2) pair production in final states with 1 lepton, 2 b-jets consistent with a Higgs boson and missing transverse energy. This search had negative outcome resulting in excluding C1, N2 masses up to 250 GeV for a massless lightest neutralino (N1) at 95% C.L.. The Run1 search used the 8 TeV ATLAS data collected in 2012. In this thesis, this search with ATLAS at LHC 13 TeV Run2 is presented, it uses 36.1 fb$^{-1}$ ATLAS data collected in 2015 and 2016. This Run 2 search provides an unprecedented sensitivity to high mass C1, N2 production. However, no evidence of new physics is observed and tighter new limits are placed on the C1, N2 production, with significant improvements over previous searches: C1, N2 masses up to 680 GeV for a massless N1 are excluded at 95% C.L. The identification of b-jets plays a significant role in this analysis. In this thesis, we present studies of the robustness of b-tagging performance with various conditions of the pixel detector, being the most important sub-detector for b-tagging. As most SUSY searches at the LHC, this analysis is carried out using Simplified Model of SUSY, i.e. the mass spectrum is chosen by hand and the considered SUSY decays are forced. Suspect3 is one of the theory tools utilized to map the search result into realistic SUSY models. This thesis presents the post Higgs discovery SuSpect3 version we have been working on. This version takes advantage of the very important new Higgs boson mass input to constrain other basic model parameter currently given as an input.

The Standard Model of particle physics is currently the most complete theory of subatomic particles. The discovery of the Higgs boson with a mass of 125 GeV in 2012 further validated the Standard Model, providing evidence for the theory that vector bosons obtain non-zero masses through the Higgs mechanism. Studies are ongoing to determine the exact nature and properties of the Higgs boson. A Higgs boson of this mass is predicted to decay to a pair of b-b quarks with a branching ratio of 58%, however this decay mode has not yet been observed. This thesis presents a search for the associated production of a Higgs boson with a leptonically decaying W boson, WH → ℓvb-b, using 20.3 fb-1 of Run 1 data collected by ATLAS at the LHC from pp collisions at a centre-of-mass energy of ps = 8 TeV. The observed (expected) significance of a Higgs boson with a mass of 125 GeV for the WH → ℓvb-b process is found to be 2:7σ (1:3σ). The measured cross section in units of the expected Standard Model cross section has a best-fit value of μ = μ/μSM = 2:2+0:67-0:64(stat:)+0:7-0:59(syst:) = 2:2+0:97-0:87. The results are combined with the search for ZH → v-vb-b and ZH → ℓ+ℓ-b-b to provide a best-fit value of μ = μ/μSM = 1:1+0:61-0:56. The start of Run 2 of the LHC in 2015 saw the collision energy being raised to √s = 13 TeV, increasing the probability of particles being produced with a large momentum boost. At these high energies there is also a possibility to discover new particles and interactions. An extension of the Standard Model, the Heavy Vector Triplet (HVT) model, describes new heavy vector bosons W¹ and Z¹, which can decay to pairs of heavy bosons (W, Z or Higgs bosons). If the W0 and Z0 bosons are sufficiently heavy, the hadronic decays of the diboson final states produce boosted jets. In this thesis, methods for identifying hadronically decaying boosted bosons are developed, based on techniques that examine the internal substructure of the jet. Multiple substructure variables are combined into a single discriminant using two machine learning techniques: boosted decision trees and deep neural networks. Simulated events of W¹→WZ → q-qq-q are used to develop these boosted W boson taggers. An improvement in the background rejection power, whilst keeping 50% of the signal, over previous boosted W boson taggers of up to 13%-when using deep neural networks-and 36%-when using boosted decision trees-is obtained. The performance of the new boosted W boson taggers are evaluated in a search for a narrow WW resonances from the decay of a Z¹ with boson-tagged jets in 3.2 fb-1 of pp collisions at √s = 13 TeV collected with the ATLAS detector.

Le travail scientifique présenté dans cette thèse s’appuie sur des collisions proton proton, à 13 TeV dans le centre de masse, produite par le grand collisionneur de Hadron (LHC) et enregistrées entre 2015 et 2017 par le détecteur ATLAS. Après une brève introduction sur le programme de physique du LHC, le premier chapitre donne un aperçu complet du contexte et des motivations théorique. Ensuite une description complète du détecteur ATLAS et plus généralement de l’ensemble expérimental est donnée. Le troisième chapitre traite d’une des mesures des performances du calorimètre électromagnétique ATLAS, à savoir l’étude des efficacités identification électronique à l’aide de W se désintégrant en électrons et neutrinos.Dans les chapitres suivants, le coeur de cette thèse, la recherche et l’étude de la production associée de boson de Higgs avec une paire de quark top, appelée production ttH, est traitée dans le schéma du modèle Standard et au-delà. L’observation de la production ttH avec le détecteur ATLAS a été récemment annoncée en 2018 et représente une étape importante pour le domaine de la physique des hautes énergies. Afin d’élargir le spectre de cette analyse tth au-delà du SM, cet état final du canal 4L a aussi été étudié dans le cadre de la recherche de bosons de Higgs doublement chargés se désintégrant en W$^{\pm}$W$^{\pm}$, H$^{\pm \pm} \rightarrow $ W$^{\pm}$W$^{\pm}$. En conclusions, les perspectives sur les futurs résultats scientifiques dans le modèle Standard (SM) ainsi que au-delà de SM (BSM) qui pourraient être atteint en utilisant les statistiques complètes des Run1 et Run2 combinés sont donnés. / The scientific work presented in this thesis is based on proton proton collision produced, at 13 TeV in the center of mass, created by the Large Hadron Collider (LHC) and recorded between 2015 and 2017 by the ATLAS detector.After a short introduction on the physics program at LHC, the first chapter gives a comprehensive overview of the theoretical context and motivation. Then a complete description of the ATLAS detector and more generally the experimental setup is given with a highlight on the different physics objects used in this research.The third chapter is dealing with a measure of the performances of the ATLAS electromagnetic calorimeter, namely the study of the electron identification efficiencies using W decaying into electrons and neutrinos events.In the following chapters, the core of this thesis work, the search and study of the associated Higgs boson production with top quark pair, so-called ttH production, within the Standard Model schema and beyond is treated. The observation for ttH production with the ATLAS detector recently announced in 2018 represents a significant milestone for the High-Energy Physics field. In order to broaden the spectrum of this ttH analysis beyond the SM, this 4L channel final states was also studied in the context of the search for doubly charged Higgs boson decaying into W±W±, H±±→W±W±.In conclusions, future prospects in Standard Model (SM) as well as Beyond SM (BSM) scientific results that could be reached using the full Run1 and Run2 combined available statistics are given.

L’étude des propriétés du boson de Higgs représente une excellente opportunité pour la recherche de Nouvelle Physique. En particulier, sa masse est mesurée avec une précision impressionnante, de l’ordre de 0.1%, tandis qu’elle est aussi prédite par certains modèles au-delà du Modèle Standard, notamment les modèles supersymétriques. Le but de cette thèse est de faire avancer le calcul des corrections radiatives aux masses des scalaires dans les modèles au-delà du Modèle Standard, ainsi que l’automatisation de ces calculs, afin d’établir ou d’améliorer les limites sur les couplages entre la Nouvelle Physique et le boson de Higgs. Nous calculons d’abord les corrections dominantes à deux boucles, de la forme O(alpha_s alpha_t), aux masses des scalaires neutres dans les modèles supersymétriques à jauginos de Dirac. Ensuite, nous montrons comment surmonter la Catastrophe des Bosons de Goldstone, un cas de divergences infrarouges dues aux bosons de Goldstones de masses nulles qui affecte les calculs de potentiels effectifs, d’équations « tadpoles » et d’énergies propres, en adoptant un schéma de renormalisation « on-shell » pour les masses des bosons de Goldstone. Nous illustrons la mise en œuvre numérique de notre solution dans le programme SARAH, et finalement, nous considérons le comportement aux hautes énergies de modèles non-supersymétriques avec des secteurs scalaires étendus. / The Standard Model-like Higgs boson provides an excellent setting for the indirect search of New Physics, through the study of its properties. In particular its mass is now measured with an astonishing precision, of the order of 0.1%, while being predicted in some models of Beyond the Standard Model (BSM) Physics, such as supersymmetric (SUSY) models. The main purpose of this thesis is to push further the calculation of radiative corrections to Higgs boson masses in BSM models, as well as the automation of these calculations, in order to set or improve constraints on New Physics coupling to the Higgs boson. A first chapter is devoted to the computation of the leading two-loop O (alpha_s alpha_t) corrections to neutral scalar masses in SUSY models with Dirac gauginos. Then, we show to address the Goldstone Boson Catastrophe -- a case of infra-red divergences due to massless Goldstone bosons that plague the calculation of effective potentials, tadpole equations, and self-energies -- in the context of general renormalisable field theories, by adopting an on-shell renormalisation scheme for the Goldstone masses. Afterwards, we illustrate the numerical implementation of our solution to the Goldstone Boson Catastrophe in the public tool SARAH. Finally, in a last chapter, we consider the high-scale behaviour of non-supersymmetric models with extended Higgs sectors.

Le but de cette thèse est d'évaluer le potentiel de découverte par le détecteur ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) du boson de Higgs du modèle standard. Le mode de production etudié est défini par la fusion de bosons vecteurs (VBF) suivie de la désintégration en une paire de leptons τ (H → τ ^+ τ ^−). C'est l'un des canaux de découverte les plus prometteurs pour un boson de Higgs de basse masse, qui est favorisé par les mesures de précision dans le secteur électro-faible. Deux modes de désintégration ont été étudiés: celui où les deux leptons τ se d´esintègrent en lepton et celui où un lepton τ se désintègre en lepton et l'autre en hadron. La topologie caractéristique de fusion de bosons vecteurs, qui est constituée des deux jets vers l'avant du détecteur et des produits de désintégration de boson de Higgs dans la région centrale, fournit une signature unique permettant la suppression du bruit de fond. En outre, puisque la fusion des bosons vecteurs est un processus purement électro-faible, aucune activité de QCD n'est prévue et donc aucun jet central n'est attendu pour des événements de signal. Ceci permet l'application de la coupure de “central jet veto” pour encore réduire le bruit de fond. Une analyse basée sur des coupures a été utilisée, se concentrant sur l'optimisation de la coupure de “central jet veto”. L'objectif principal était d'étudier le potentiel de découverte du boson de Higgs avec ATLAS, sous une luminosité intégrée de 30 fb^−1 dans la gamme de masse 115 GeV≤ m_H ≤140 GeV, pour une énergie au centre de la masse √s=14 TeV. Après l'application des coupures, un excès au-dessus de 5σ de signal significance a été trouvé pour la gamme de masse 115 GeV ≤ m_H ≤125 GeV. Dans le canal de désintégration H → τ^ + τ ^ −, la résolution de l'énergie transverse manquante ( E_T ) est importante puisqu'elle affecte directement la résolution sur la masse du boson de Higgs. Cela a été la motivation initiale pour réaliser et présenter dans cette thèse une étude de “commissioning” calorimétrique basé sur les quantités E_T , plus particulièrement sur la contribution du bruit de l'électronique, mesurée dans des événements cosmiques enregistrés pendant l'automne 2008. Un comportement gaussien de bruit dans tous les calorimètres de l'argon liquide a été trouvé, tandis qu'un comportement non-gaussien dans une partie du calorimètre à tuile scintillante a été observé. Pour ce dernier, un nouveau modèle de bruit a été examiné utilisant une paramétrisation de double gaussienne ayant pour résultat une description plus réaliste. En conclusion, cette analyse a fourni un outil de “commissioning” du calorimètre, qui a permis l'observation et la correction de plusieurs effets dans le comportement des calorimètres d'ATLAS.

L'électronique frontale (VFE) traitant les signaux des photodétecteurs du calorimètre électromagnétique de l'expérience CMS a été soumise à un programme étendu de tests pour garantir leur fonctionnalité et fiabilité. Le système de calibration et de caractérisation précise des ~16000 VFE a été développé et utilisé à IPN Lyon pour contrôler leur qualité et mesurer les constantes de calibration qui serviront au démarrage du calorimètre complet. <br />En outre, l'évaluation et l'optimisation précises des performances de l'électronique de lecture ont été obtenues avec des données réelles au cours de tests sur des faisceaux de particules au CERN. <br />Les résultats obtenus sur bancs de tests en laboratoire ou en faisceau confirment l'excellente qualité de la production des cartes électroniques et prouvent que les spécifications du calorimètre ont été atteintes.

For more than 30 years the Standard Model has been the theoretical foundation for particle physics. The theory has been verified successfully by experimental tests. Its biggest shortcoming is the non-discovery of the Higgs boson,responsible for giving the other particles masses. Despite its success there are hints that the Standard Model is not the complete theory and many extensions of it, such as supersymmetry, have been proposed. Extended theories often predict the existence of a charged Higgs boson and its detection will be a clear sign of physics beyond the Standard Model. The main focus in this thesis is on various phenomenological aspects of the charged Higgs boson. For favorable mass and couplings direct detection is shown to be possible at the Large Hadron Collider in production with an associated W boson. It is also shown how a light charged Higgs can have measurable effects on spin correlations in decays of pair-produced top quarks. The charged Higgs boson can also be seen indirectly, in for example B-meson decays, which can be used to put constraints on its mass and fermion couplings. Exclusion limits in two supersymmetric models are given together with a comparison with the discovery potentials for the LHC experiments. A tool for calculating properties, such as masses and decays, of both charged and neutral Higgs bosons in the Two-Higgs-Doublet Model is also presented. B-meson decays can also be used to test aspects of the strong interaction. Part of this thesis deals with improving and applying phenomenological models to B-meson decays. Although these models are not derived from first principles, their success shows that they capture important features of non-perturbative strong interactions.