Search for an exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars in the final state with two b quarks and two tau leptons in proton-proton collisions at √s=13TeV

Abstract

Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στην αναζήτηση μιας εξωτικής διάσπασης του Higgs μποζονίου σε ζεύγος ψευδοβαθμοτών μποζονίων α, με περαιτέρω διάσπαση σε ζέυγος b κουάρκ και ζεύγος τάο λεπτονίων. Αυτή η διάσπαση επιτρέπεται, καθώς οι συζεύξεις και οι ιδιότητες του Higgs μποζονίου που ανακαλύφθηκε πρόσφατα αφήνουν χώρο εως και 34% στο λόγο διακλάδωσης του Higgs μποζονίου σε σωματίδια πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο με 95% διάστημα εμπιστοσύνης. Αυτή είναι η πρώτη φορά που το κανάλι 2b2τ ερευνήθηκε ως τελική κατάσταση της διάσπασης h→aa. Λαμβάνονται υπόψη μόνο τρεις ττ τελικές καταστάσεις τις eμ, eτh και μτh. Το κίνητρο για την μελέτη του συγκεκριμένου καναλιού, προέρχεται από θεωρητικά μοντέλα πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο και πιο συγκεκριμένα από το μοντέλο 2HDM+S (two Higgs Doublet Model + Scalar Singlet). Το συγκεκριμένο μοντέλο χωρίζεται σε τέσσερις διαφορετικούς τύπους με το NMSSM (Next to Minimal Suppersymmetric Standard Model) να αποτελεί μια ειδική περίπτωση. Στην ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα που συλλέχθηκαν από το πείραμα CMS στο LHC το 2016, με ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV και τα οποία αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 35.9fb-1. Το εύρος των μαζών του ψευδοβαθμωτού μποζονίου α, το οποίο μελετάται κυμαίνεται από 15 GeV μέχρι 60 GeV. Ανώτερα όρια έχουν τεθεί στο λόγο σh/σSM×B(h→aa→bbττ) τα οποία κυμαίνονται από 3% έως 12%. Αυτά μεταφράζουνται ως ανώτερα όρια στο λόγο διάσπασης του Higgs μποζονίου σε ζεύγος ψευδοβαθμοτών μποζονίων α, μεταξύ 6% και 20% λαμβάνοντας υπόψη τα ευνοϊκότερα σενάρια του 2HDM+S.

This dissertation focuses on the search for an exotic decay of the Higgs boson h to a pair of light pseudoscalar bosons a, which further decay to a pair of b quarks and a pair of τ leptons. This is allowed, as the couplings and properties of the recently discovered Higgs boson leave room up to 34% on the Higgs branching ratio to Beyond Standard Model (BSM) particles at the 95% CL. This is the first time that the 2b2τ channel is been investigated as a final state of the h → aa decay. Three ττ final states, eμ, eτh and μτh are considered. The motivation is derived from theoretical models Beyond the Standard Model, (BSM) and more specifically the two Higgs Doublet Model complemented by a scalar Singlet, 2HDM+S. The 2HDM+S is built on four different types in which the Next to Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) is a special case. The search has been performed using data collected by the CMS Experiment at the LHC in 2016, at a center-of-mass energy 13TeV, and corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1. The light pseudoscalar boson mass probed is in the range between 15GeV and 60GeV. No excess of events above the SM expectations is observed. Upper limits are set on the 95% CL production cross section over the Standard Model one, times the branching ratio B(h→ aa → bbττ). They range from 3% to 12%. This corresponds to upper limits on the branching fraction of the Higgs boson decay to a pair of light pseudoscalar bosons, between 6% and 20% in the most favorable 2HDM+S scenarios.