Projet ANR-15-CE31-0016 – OptimalJets : Utilisation optimale des jets au LHC et aux collisionneurs futurs
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Gregory Soyez (Institut de Physique Théorique (IPhT))
Montant : 208000.0 euros
Date de début : 2016
Durée : 36 mois
Résumé : Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN explore les frontières de la physique des particules au moyen de collisions proton-proton. Dans ces collisions à haute énergie, les quarks et les gluons sont produits abondamment. Ce sont des objets clés pour sonder les interactions fondamentales et découvrir de la nouvelle physique. En pratique, ces quarks et gluons sont observés sous la forme de cascades collimatées de particules, appelées jets. Nous avons établi le cadre actuel de reconstruction des jets au LHC.
Le LHC accédant à des énergies toujours plus hautes, des objets massifs tels que les bosons W/Z, le boson de Higgs ou le quark top peuvent être produits boostés, i.e. à des énergies bien supérieures à leur masse. Si un tel objet se désintègre via l'interaction forte, les produits de cette désintégration seront collimatés et il sera vu comme un seul jet. Ceci constitue un changement complet de paradigme où un "jet" peut maintenant provenir d'autre chose qu'un quark ou un gluon. Pour maximiser le potentiel du LHC, il est primordial d'être à même d'isoler les rares jets boostés provenant de la désintégration d'objets massifs, des quarks et gluons bien plus fréquents. Pour ce faire, on exploite la structure interne des jets.
L'étude de la sous-structure des jets a connu un essor important lors du Run I du LHC. De nombreux outils ont été proposés, principalement par la communauté théorique, et de nombreuses validations de ces outils ont été effectuées du côté expérimental. Aujourd'hui, on sait donc que les techniques de sous-structure de jets fonctionnent et aident à identifier les objets boostés.
A l'heure actuelle, les méthodes proposées sont testées numériquement, sur base d'événements simulés par des générateurs Monte Carlo. Ce cadre empirique souffre de sévères limitations: il n'explique pas pourquoi une méthode marche mieux qu'une autre; l'exploration d'un large espace de phase des paramètres et son extrapolation sur un grand intervalle d'énergies est délicat et coûteux en temps; il ne permet pas d'estimation robuste des incertitudes théoriques; il ne fournit aucune explication des différences observées entre les simulations numériques et les données expérimentales; et, par-dessus tout, il ne donne aucun indice permettant d'améliorer les techniques existantes.
L'objectif de ce projet est de s'affranchir des ces limitations en fournissant une compréhension ab initio de la sous-structure des jets, basée sur la théorie des interactions fortes. En premier lieu, cela passe par une compréhension analytique des techniques existantes. Ensuite, nos objectifs principaux sont d'utiliser cette compréhension pour (i) développer de nouvelles méthodes, optimales, de sous-structure des jets et (ii) fournir des calculs précis, incluant une estimation des incertitudes théoriques et permettant de juger de la robustesse de chaque méthode. L'approche analytique au coeur de notre projet s'est déjà montrée très fructueuse dans les études préliminaires. Ceci signifie que notre projet est non seulement réalisable mais également très prometteur.
Au-delà de son application principale, l'identification des jets boostés, ce projet pourra également avoir des implications plus générales sur l'extraction d'une information optimale des collisions au LHC. Ceci inclut par exemple la réduction des effets de pileup ou les vétos sur les jets.
Nous fournirons aussi des implémentations numériques open-source de nos outils afin de les rendre aisément accessible par la communauté scientifique.
Au final, notre projet propulsera le domaine de la sous-structure des jets à un nouveau niveau. Il établira le cadre de ce domaine en rapide évolution pour les décennies à venir et au-delà. Cela impactera un large éventail d'analyses au LHC, améliorant ses chances de découverte de nouvelle physique. L'expérience des membres de cette équipe en physique des jets nous place en position unique pour atteindre ces objectifs.