Search for an exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars in the final state of two muons and two tau leptons in proton-proton collisions at 13 TeV

Abstract

Η παρούσα μελέτη παρουσιάζει την αναζήτηση της εξωτικής διάσπασης του μποζονίου Higgs (125 GeV), σε ζεύγος ψευδοβαθμωτών σωματιδίων, με τελικές καταστάσεις δυο μιόνια και δυο λεπτόνια ταυ. Τα πραγματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή CMS, κατά την περίοδο του 2016 (Run 2), σε σκεδάσεις πρωτονίων με ενέργεια κέντρου μάζας 13 ΤeV και ολοκληρωμένη φωτεινότητα 35.9 fb-1. Ο συνδυασμός τωv δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης του LHC (Run 1), σε ενέργειες κέντρου μάζας 7 και 8 ΤeV, από τα πειράματα ATLAS και CMS, θέτουν όρια για το λόγο διάσπασης του μποζονίου Higgs σε σωματίδια πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ), μικρότερα του 34% με όριο εμπιστοσύνης 95%. Η μελέτη έχει βασιστεί στη θεωρία των δυο διπλετών Higgs με ένα επιπρόσθετο μονήρες πεδίο (2HDM+S), όπου 7 σωματίδια προβλέπονται: ένα από αυτά είναι συμβατό με το σωματίδιο Ηiggs που έχει ανακαλυφθεί μάζας 125 GeV, ενώ παράλληλα ένα ψευδοβαθμωτό σωματίδιο ,α, είναι αρκετά ελαφρύ ώστε η διάσπαση hαα να είναι επιτρεπτή. Το κανάλι διάσπασης hαα2μ2τ έχει μεγαλύτερο λόγο διάσπασης στον Τύπο ΙΙΙ για μεγάλες τιμές της tanβ. Η αναζήτηση της διάσπασης του βαθμωτού σωματιδίου Higgs (125 GeV) σε τελικές καταστάσεις δυο μιονίων και δυο ταυ λεπτονίων βασίστηκε στο μηχανισμό παραγωγής του σωματιδίου Higgs από τη συγχώνευση γκλουωνίων και από τη συγχώνευση διανυσματικών μποζονίων W,Z. H μελέτη πραγματοποιήθηκε για μάζες των ψευδοβαθμωτών σωματιδίων από 15 μέχρι 62.5 GeV. Επιπρόσθετα μελετήθηκε η διάσπαση hαα4τ η οποία μπορεί να εισέλθει στην περιοχή σήματος όταν δυο ψευδοβαθμωτά σωματίδια διασπώνται σε ζεύγη ταυ λεπτονίων και κατά συνέπεια ένα ζεύγος ταυ λεπτονίων να διασπαστεί σε ζεύγος μιονίων. Τέσσερεις διαφορετικές τελικές καταστάσεις έχουν εξεταστεί ανάλογα με τον τρόπο διάσπασης του ταυ λεπτόνιου (λεπτονικά ή αδρονικά) : μμ+eμ, μμ+eτh, μμ+μτh και μμ+τhτh όπου τh αδρονική διάσπαση του ταυ. Οι προαναφερόμενες διασπάσεις σήματος έχουν προσομοιωθεί με μεθόδους Monte Carlo (MC) με τη χρήση του γεννήτορα Μadgraph. Το υπόβαθρο του καναλιού χωρίζεται σε δυο κατηγορίες: η μία είναι από ζεύγος διανυσματικών μποζονίων (ZZ) με τελικές καταστάσεις τέσσερα λεπτόνια (irreducible), ενώ η άλλη κατηγορία αφορά πίδακες οι οποίοι ταυτοποιήθηκαν λανθασμένα ως ταυ-λεπτόνια (reducible). Όρια εμπιστοσύνης 95% της διάσπασης B(hαα2μ2τ) για μάζες του ψευδοβαθμωτού σωματιδίου μεταξύ 15.0 και 62.5 GeV έχουν υπολογιστεί στα οποία δεν παρατηρήθηκε περίσσεια γεγονότων πέρα από τη πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου. Τα όρια αυτά φτάνουν την τιμή των 1.2x10-4 και θέτουν τη μεγαλύτερη ευαισθησία που έχει μετρηθεί σε τελικές καταστάσεις δυο μιονίων και δυο ταυ λεπτονίων βελτιώνοντας σε μεγάλο βαθμό προηγούμενες μελέτες. Η μέτρηση αυτή αποτελεί το πιο αυστηρό όριο για την περιοχή μαζών 15-60 GeV σε εξωτικές διασπάσεις του μποζονίου Higgs, σε σενάρια όπου οι διασπάσεις των ψευδοβαθμωτών σωματιδίων σε λεπτόνια υπερισχύουν.

This PhD study presents the search of the exotic decay of the Higgs boson (125 GeV) to a pair of light pseudoscalars with final states two muons and two tau leptons. The results exploit the data collected by the CMS detector during the LHC Run-2, in proton-proton collisions with a center-of-mas energy 13 TeV and an integrated luminosity 35.9 fb-1. The combination of data collected during LHC Run-1 at center-of-mass energies 7 and 8 TeV by the CMS Experiment constraints the branching fractions of the Higgs boson to particles beyond the Standard Model (SM) to be less than 34% at 95% confidence level (CL). Many well motivated-exotic decays of the Higgs boson are proposed in theories beyond the SM. The analysis is performed in the two Higgs-doublet model extended with a complex scalar singlet framework (2HDM+S), where seven physical states are predicted: one of the scalars can be compatible with the discovered Higgs boson (125 GeV), while one of the pseudoscalars, α, can be light enough so that hαα decays are allowed. The decay channel studied has the largest branching fraction in the 2HDM+S Type III model for large values of tanβ. Masses of the pseudoscalar boson between 15.0 and 62.5 GeV are probed. An additional signal process is included in this analysis when the SM Higgs- like boson decays to a pair of light pseudoscalars with final states four taus. This process can also enter the signal region if a pair of taus decays to a dimuon pair. The analysis scans the reconstructed dimuon mass spectrum for a characteristic resonance structure. Four different final states are studied to cover the different possible τ-lepton decay modes: μμ+eμ, μμ+eτh, μμ+μτh and μμ+τhτh where τh denotes hadronically τ lepton decay. Monte Carlo (MC) samples have been produced for the signal processed via Madgraph generator. The background contribution for this decay channel is separated in two categories: the irreducible and the reducible. The results are extracted from an unbinned fit of the dimuon mass spectrum. No significant excess of data is observed above the prediction of the standard model. Upper limits at 95% confidence level on the branching fraction B(hαα2μ2τ) are as low as 1.2x10-4 for mα=60GeV, assuming the SM production cross section for the Higgs boson, which are the most stringent limits obtained so far for the final state of two muons and two τ leptons for masses above 15 GeV, improving previous limits by more than a factor of two. They provide the tightest constraints in this mass range on exotic Higgs boson decays in the 2HDM+S Type III model where pseudoscalar bosons decay to leptons.