Search for light charged Higgs bosons with the H± -- τ±ντ decay in the fully hadronic final state

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει τη μελέτη που διεξήχθηκε για την αναζήτηση του ελαφρού και ηλεκτρικά φορτισμένου μποζονίου Higgs, στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) με το πείραμα CMS, σε γεγονότα tt . Ειδικότερα, διερευνήθηκε η πλήρως αδρονική τελική κατάσταση των διεργασιών tt  bW± bH± και tt  bH± bH±, με περαιτέρω διάσπαση H± τ±ντ . Η αναζήτηση βασίστηκε σε δεδομένα που αντιστοιχούν σε 2.3 fb-1 ολοκληρωμένης φωτεινότητας, όπως καταγράφηκαν κατά την αρχική περίοδο του έτους 2011 με τον ανιχνευτή CMS σε ενέργεια κέντρου μάζας √s = 7 TeV. Το Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο (MSSM), υπό το σενάριο με μέγιστη ανάμειξη mh max, εξετάστηκε μέσα από μια ανάλυση βασισμένη σε περικοπές, με προσαρμογή στην κατανομή εγκάρσιας μάζας, όπως αυτή ανακατασκευάστηκε με τη χρήση του τ-πίδακα και της χαμένης εγκάρσιας ενέργειας μετά από όλες τις επιλογές, υπό την υπόθεση παρουσίας μόνο υπόβαθρου στα δεδομένα. Υπολογίστηκαν ανώτατα όρια για το λόγο διακλάδωσης BR(tbH±), ανεξαρτήτως μοντέλου, τα οποία και μετατράπηκαν σε ανώτατα όρια στο επίπεδο tan(β, mA 0) υπό την υπόθεση ότι το ελαφρύ φορτισμένο μποζόνιο Higgs διασπάται αποκλειστικά σε ένα τ-λεπτόνιο και ένα νετρίνο, με λόγο διακλάδωσης BR(H± τ±ντ)=1. Η κύρια εργασία της παρούσας διατριβής επικεντρώθηκε στην εκτίμηση του δεσπόζοντος υποβάθρου στην περιοχή του σήματος το οποίο βρέθηκε να πηγάζει από Κβαντοχρωμοδυναμικές διεργασίες με πολλαπλούς αδρονικούς πίδακες (QCD multi-jet), στις οποίες ένας εκ των αδρονικών πιδάκων λανθασμένα χαρακτηρίζεται ως τ-πίδακας, ενώ η παρουσία χαμένης εγκάρσιας ενέργειας οφείλεται κυρίως σε λανθασμένες μετρήσεις στην ενέργεια των διαφόρων πιδάκων, ή σε επιδράσεις της πεπερασμένης διακριτική ικανότητας μέτρησης της ενέργειας τους. Ο προσδιορισμός του εν λόγω υπόβαθρου επιτεύχθηκε με τη χρησιμοποίηση των πειραματικών δεδομένων με βάση τις τεχνικές παραγοντοποίησης. Αυτή η διαδικασία παραγοντοποίησης διεξήχθηκε σε επιλεγμένα διακριτικοποιημένα διαστήματα εγκάρσιας ορμής των υποψηφίων τ-πιδάκων, ούτως ώστε να ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι η πιθανότητα ενός πίδακα προερχόμενου από κουάρκ ή γκλουόνιο για να περάσει τα απαιτούμενα κριτήρια απομόνωσης ενός τ-πίδακα, βρέθηκε να εξαρτάται από την εγκάρσια ενέργεια του εν λόγω πίδακα. Ένα επιπρόσθετο κίνητρο για την υιοθέτηση της προαναφερθείσας μεθόδου απετέλεσε η ελαχιστοποίηση των μικρών συσχετίσεων που παρατηρήθηκαν ανάμεσα στην εγκάρσια ορμή του υποψήφιου τ-πίδακα και της χαμένης εγκάρσιας ενέργειας ενός γεγονότος. Χρησιμοποιώντας παρόμοιες τεχνικές, καθορίστηκε επίσης και η κατανομή της εγκάρσιας μάζας για Κβαντοχρωμοδυναμικές διεργασίες με πολλαπλούς αδρονικούς πίδακες, μετά από όλες τις επιλογές για την εξαγωγή του σήματος από τα πειραματικά δεδομένα. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε μια πλήρης αξιολόγηση των αβεβαιοτήτων που συνδέονται με όλες τις μετρήσεις, η οποία περιελάμβανε όλα τα σχετικά συστηματικά και στατιστικά σφάλματα. Η κατανομή εγκάρσιας μάζας από Κβαντοχρωμοδυναμικές διεργασίες με πολλαπλούς αδρονικούς πίδακες, αλλά και όλων των σχετικών διαδικασιών του υπόβαθρου, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την προσαρμογή τους στην κατανομή της εγκάρσιας μάζας μέσω της μεθόδου του maximum likelihood κατά διακριτοποιημένα διαστήματα, μετά από όλες τις επιλογές για την εξαγωγή του σήματος. Ως αποτέλεσμα, εξήχθηκαν ανώτατα όρια ανεξαρτήτως μοντέλου για το λόγο διακλάδωσης BR(tbH±), ως συνάρτηση της μάζας του ελαφρού και ηλεκτρικά φορτισμένου μποζονίου Higgs (mH ±). Τα παρατηρηθέντα και τα αναμενόμενα ανώτατα όρια βρέθηκαν να είναι 2.2-7.3% και 1.5-5.2%, αντιστοίχως, για μάζες 80 GeVc-2 ≤ mH± ≤ 160 GeVc-2 . Τα εν λόγω όρια μετατράπηκαν σε όρια στο επίπεδο tan(β, mH±) και tan(β,mA0) του MSSM σεναρίου με μέγιστη ανάμειξη mh max, και βρέθηκαν να εξαιρούν μια σημαντική περιοχή του παραμετρικού χώρου που είχε προηγουμένως παραμείνει ανεξερεύνητη.

This thesis describes the work conducted for the search for light charged Higgs bosons at the LHC with the CMS experiment, in tt events. In particular, the fully hadronic final state of the signal processes tt  bW± bH± and tt  bH± bH± was investigated, with the H± τ±ντ decay mode. The search was based on data corresponding to an integrated luminosity of 2.3 fb-1, recorded in the early part of 2011 with the CMS detector at a centre-of-mass-energy of √s = 7 TeV. The MSSM maximal mixing scenario mh max was tested in a cut-based analysis, by fitting a background-only hypothesis to the transverse mass shape reconstructed using the missing transverse energy (ETmiss) and τ-jet objects, after all signal selection requirements. Modelindependent upper limits for the branching ratio BR(tbH±) were calculated, and were consequently transformed to upper limits in the tan(β, mA 0) plane, under the assumption that the light charged Higgs boson decays exclusively to a τ-lepton and a neutrino, with a branching ratio BR(H± τ±ντ)=1. A significant part of the present work concentrated on the determination of the dominant background contributing to the signal region, found to be attributed to QCD-multijet processes, whereby a hadronic jet is falsely identified as a τ-jet and the presence of transverse energy imbalance is primarily caused by jetresolution or jet mis-measurement effects. The determination of the QCD multi-jet background was achieved by employing data-driven factorisation techniques, with crucial steps of the signal selection requirements being factorised out of the cut-flow and then re-introduced in the form of applied efficiencies. This factorisation procedure was conducted within selected bins of the τ-jetcandidate transverse momentum, to account for the fact that the probability of a quark or gluon jet to pass the chosen τ-jet isolation criteria was found to be dependent on the jet transverse momentum. An additional physics-motivated incentive for this procedure was to minimise the small correlations that were observed to exist between the τ-jetcandidate transverse momentum and the missing transverse energy, in a given event. Using similar techniques, the transverse mass shape of QCD multi-jet processes after all signal selection requirements was also extracted with data-driven methods. In parallel, a complete evaluation of the uncertainties associated with all the measurements was also conducted, which included all relevant systematic and statistical contributions. The transverse mass shape extracted for QCD multi-jet processes, along with all other related background processes, were subsequently employed in a binned maximum likelihood fit to the transverse mass shape observed in the data, after all signal selection requirements. As a result, model-independent upper limits were evaluated for the branching ratio BR(tbH±), as a function of the light charged Higgs boson mass (mH±). The observed and expected upper limits were found to be 2.2-7.3% and 1.5-5.2%, respectively, for the light charged Higgs mass range of 80 GeVc-2 ≤ mH± ≤ 160 GeVc-2. The corresponding upper limits were transformed to the tan(β, mH±) and tan(β, mA 0) parameter space of the MSSM maximal mixing scenario mh max, and were found to exclude a significant region of the parameter space that had previously remained unexplored.