Searches for signatures of a heavy pseudoscalar a boson in the two-Higgs-doublet model

Abstract

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στην αναζήτηση ενός βαρύτερου ψευδοβαθμωτού μποζονίου} Higgs, CP-odd Higgs Α μποζόνιο, που μπορεί να διασπαστεί με ενδιάμεσες καταστάσεις στο μποζόνιο Ζ (m_Z=91 GeV) αλλά και στο μποζόνιο Higgs (m_h=125 GeV) του Καθιερωμένου Προτύπου, με τελικές καταστάσεις δύο λεπτόνια (e^+ e^-, μ^+μ^-) και ένα ζεύγος b κουαρκς (bb(bar)), όπως προβλέπεται από τη θεωρία Two-Higgs-Doublet Model. Επίσης, γεγονότα με τελικές καταστάσεις ενός ζεύγους b-κουαρκς και της ελλειμματικής εγκάρσιας ενέργειας που οφείλεται στην παρουσία των μη ανιχνεύσιμων νετρίνων (νν(bar)) λαμβάνονται υπόψη πρώτη φορά για το κανάλι A -> Zh. Το κανάλι A -> Zh έχει μελετηθεί για τις περιπτώσεις όπου στα γεγονότα οι τελικές καταστάσεις είναι ένα ζεύγος λεπτονίων και ένα ζεύγος b-κουάρκς (A -> Zh ->l^+ l^- bb(bar)) αλλά και για την περίπτωση γεγονότων όπου υπάρχει ελλειμματικό ισοζύγιο ενέργειας (ΜΕΤ) και ένα ζεύγος b-κουάρκς που προέρχεται από το μποζόνιο Higgs (A -> Zh ->νν(bar) bb(bar)). Τα δύο αυτά κανάλια έχουν εξεταστεί και για τις δύο μεθόδους παραγωγής του Α μποζονίου (gluon-gluon fusion και b-quark associated production), για μάζες από 225 GeV μέχρι 1 TeV. Εννέα περιοχές σήματος (1, 2, 3 b-tags και 0l, 2e, 2μ) έχουν καθοριστεί χρησιμοποιώντας το βέλτιστο παράθυρο μάζας του ζεύγους των b κουάρκς (100 < m_bb(bar) < 140 GeV) και κάνοντας χρήση τριών μεταβλητών διαχωρισμού (discriminating variables), που χρησιμοποιούνται για να μειώσουν τυχόν συνεισφορά των πιθανών υποβάθρων στην περιοχή του σήματος. Επιπρόσθετα, πέντε περιοχές υποβάθρων έχουν εξεταστεί και εκτιμηθεί όπου η κάθε περιοχή αντιστοιχεί και σε μια κύρια πηγή υποβάθρου (Z+Jets, Z+b, Z+bb(bar), W+Jets, tt(bar)). Αυτό γίνεται για ένα καλύτερο έλεγχο των δειγμάτων MC με τα πραγματικά γεγονότα που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση. Πέντε εκτιμήσεις υποβάθρων (background scale factors) έχουν υπολογιστεί για τις πέντες περιοχές και έχουν εφαρμοστεί στα δείγματα MC για καλύτερη περιγραφή των πραγματικών γεγονότων. Ανώτατα όρια εμπιστοσύνης 95% της ενεργού διατομής του ψευδοβαθμωτού μποζονίου Α έχουν υπολογιστεί και για τους δύο μηχανισμούς παραγωγής. Περίσσεια γεγονότων και για τους δύο μηχανισμούς παραγωγής δεν έχει παρατηρηθεί πάνω από το όριο του προβλεπόμενου υποβάθρου, με αποτέλεσμα όρια αποκλεισμού στην ενεργό διατομή του Α μποζονίου να τίθονται και να αποκλείονται οι διατομές από 1pb για μάζες του Α μποζονίου κοντά στην περιοχή m_h+m_Z < m_A < 2 m_t και 0.02pb για μεγαλύτερες μάζες (μέχρι 1 TeV) στο όριο εμπιστοσύνης 95%. Επίσης, τα όρια αποκλεισμού έχουν ερμηνευτεί στα πλαίσια της θεωρίας 2HDM και για τα τέσσερα είδη Τύπων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο επίπεδο της μεταβλητής tanβ συναρτήσει της μεταβλητής cos(β-α) και της μάζας του μποζονίου Α, m_A. Από τα αποτελέσματα παρατηρείται ότι μια μεγάλη περιοχή τιμών των τριών μεταβλητών (tanβ, cos(β-α) και m_A) έχει αποκλειστεί από την ανάλυση αυτή, θέτοντας πιο αυστηρά όρια για το συγκεκριμένο κανάλι διάσπασης.

The current thesis is dedicated to the study of the search for a heavy pseudoscalar Higgs boson, A, which could decay either to Z boson (m_Z=91 GeV) or to the SM Higgs boson (m_h=125 GeV) as predicted by the Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) theory. Final products of such decay mode (A-> Zh) are a pair of leptons (e^+ e^- and μ^+μ^-) and a pair of b-quarks (bb(bar)). Additionally, events with missing transverse energy (MET) and a pair of b-quarks as final states are considered too. The analysis of the A-> Zh-> νν(bar)bb(bar) decay channel is pioneered and presented elaborately in this thesis. The A-> Zh -> l^+ l^- bb(bar) and A-> Zh -> νν(bar)bb(bar) channels have been searched for the gluon-gluon fusion and b-quark associated production. Thirteen A mass points have been generated in a mass range between 225 GeV and 1 TeV in order to extract results for the four types of the 2HDM theory. Nine signal regions (SRs) have been determined by using the most optimal SM Higgs mass window (100 GeV < m_bb(bar) < 140 GeV) and applying three discriminating variables (kinematic, angular and event shape discriminants) for reducing a possible contribution of the background sources in the signal region. Five control regions (CRs) for Z+Jets, Z+b, Z+bb(bar), W+Jets, tt(bar) background sources were also examined and their background scale factors were computed in order to have the best consistency between MC samples and data. No excess of data over the background prediction is observed and the upper limits are set at 95% confidence level on the product of the A boson production cross sections times the branching ratios σ_A x Br(A-> Zh) x Br(h-> bb(bar)) for the two Higgs production modes, which exclude 1 pb to 0.02 pb in the 225-1000 GeV mass range of A. The findings of the analysis are interpreted in the 2HDM theory; observedand expected exclusion limits for Type-I, Type-II, Flipped and Lepton-specific Types are presented in theplanes tanβ versus cos(β-α) and tanβ versus m_A, reducing considerably the allowed parameter space forextensions of the Standard Model.