Search for charged Higgs bosons decaying into a top and a bottom quark with the CMS detector in pp collisions at √s=13 TeV with the 2016 and 2017 LHC data

Abstract

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την έρευνα για την ύπαρξη ηλεκτρικά φορτισμένων μποζονίων Higgs (H±) μέσω της διεργασίας pp→t(b)H± και της ακόλουθης διάσπασής τους H± → tb, στην πλήρως αδρονική τελική κατάσταση. Η έρευνα βασίζεται σε γεγονότα που παρήχθησαν κατά τη διάρκεια του 2016 και 2017 στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC) σε συγκρούσεις σε ενέργεια κέντρου μάζας √s = 13 TeV και συλλέχθηκαν από τον ανιχνευτή CMS. Τα γεγονότα που μελετήθηκαν αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα ίση με 35.9 fb-1 για το 2016 και 40.5 fb-1 για το 2017. Η έρευνα καλύπτει τις υποθέσεις σήματος του φορτισμένου μποζονίου Higgs με μάζα μεταξύ 200 GeV και 3 TeV. Ανάλογα με τη μάζα του φορτισμένου μποζονίου Higgs, υπάρχουν δύο διαφορετικές τοπολογίες συμβάντων, η προωθημένη και η διακρίσιμη. Τα φορτισμένα μποζόνια Higgs με μεγάλη μάζα της τάξης O(TeV) δημιουργούν προϊόντα διάσπασης με μέση εγκάρσια ορμή αρκετών εκατοντάδων GeV, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ευθυγραμμισμένοι πίδακες σωματιδίων (jets) προερχόμενοι από τη διάσπαση του top κουάρκ. Αυτά τα ευθυγραμμισμένα προϊόντα δε μπορούν να διακριθούν με τις παραδοσιακές τεχνικές ομαδοποίησης, αλλά μπορούν να ανακατασκευαστούν ως ενιαίος πίδακας μεγάλου κώνου. Τα φορτισμένα μποζόνια Higgs με χαμηλότερες μάζες, και επομένως με λιγότερο προωθημένες τελικές καταστάσεις, μπορούν να ανακατασκευαστούν από πλήρως διακριτούς πίδακες μικρού κώνου. Η παρούσα ανάλυση στοχεύει στην διακρίσιμη τοπολογία. Η ανάλυση με τα δεδομένα του 2016 αποτελεί την πρώτη χρονικά μελέτη σε αυτό το κανάλι και τη συγκεκριμένη τελική κατάσταση. Η ανάλυση με τα δεδομένα του 2017 αποτελεί συνέχεια της έρευνας και περιλαμβάνει πολλαπλές βελτιώσεις σε σχέση με την προηγούμενη ανάλυση, όπως τεχνικές μηχανικής μάθησης για την αναγνώριση του top κουάρκ και εξαγωγή σήματος, κατηγοριοποίηση των γεγονότων, και επικύρωση της μεθόδου εκτίμησης των διεργασιών υποβάθρου. Για την επέκταση της ευαισθησίας αναζήτησης φορτισμένων μποζονίων Higgs τα αποτελέσματα της διακρίσιμης ανάλυσης με τα δεδομένα του 2016 συνδυάστηκαν με την ανάλυση που στοχεύει την προωθημένη τοπολογία. Δεν παρατηρήθηκε πλεόνασμα γεγονότων πέρα από το αναμενόμενο υπόβαθρο διεργασιών του Καθιερωμένου Προτύπου και υπολογίστηκε, ανεξαρτήτως θεωρητικού μοντέλου, το άνω όριο της ενεργού διατομής παραγωγής ενός φορτισμένου μποζόνιου Higgs επί τον λόγο διακλάδωσης σε ζεύγος t και b κουάρκ-αντικουάρκ, σ(pp→t(b)H±) x B(H±→tb) με 95% επίπεδο εμπιστοσύνης.

A search for charged Higgs bosons (H±) is presented in the process pp→t(b)H± with the subsequent decay H± → tb, in the all-jet final state. The search is based on 2016 and 2017 LHC data recorded by the CMS detector at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV, corresponding to integrated luminosity of 35.9 fb-1 and 40.5 fb-1, respectively. The search covers the signal hypotheses of a charged Higgs boson with mass in the range of 200 GeV to 3 TeV. Depending on the mass of the charged Higgs boson, there exist two distinct event topologies, the boosted and the resolved. Charged Higgs bosons with large masses of O(TeV) give rise to decay products with average transverse momenta of several hundred GeV, leading to highly collimated jets originating from the decay of the top quark. These boosted products cannot be resolved with the standard clustering techniques, instead, they are reconstructed as a single large-cone jet. Charged Higgs bosons with lower masses, and thus less boosted final states, can be reconstructed from fully resolved small-cone jets. This thesis targets the resolved event topology.

The analysis performed with the 2016 LHC data constitutes the first report on this channel and final state. A continuation of the search is performed with the 2017 data and contains multiple improvements with respect to the 2016 analysis, such as machine learning techniques for top quark identification and signal extraction, event categorization, and validation of the background estimation methods. To extend the search sensitivity, the 2016 results are combined with the analysis targeting the boosted event topology. No significant excess is observed above the expected background and model-independent upper limits at 95% confidence level are set on the product of the charged Higgs boson production cross-section and branching fraction to the top and bottom quark-antiquark pair decay, σ(pp→t(b)H±) x B(H±→tb). The results are interpreted using different minimal supersymmetric extensions of the Standard Model.