Search for charged Higgs bosons with hadronic decays of top and bottom quarks at the CMS experiment using the LHC Run II pp collision data

Abstract

Η φυσική στοιχειωδών σωματιδίων στοχεύει στην κατανόηση της υποατομικής φύσης του σύμπαντος. Η επικρατούσα θεωρία, το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) της σωματιδιακής φυσικής, περιγράφει τη φύση των στοιχειωδών συστατικών της ύλης και την αλληλεπίδρασή τους μέσω της ισχυρής, ασθενούς και ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Επιπλέον, προβλέπει το μηχανισμό που είναι υπεύθυνος για τις μη μηδενικές μάζες των σωματιδίων και εισάγει ένα επιπλέον σωματίδιο, το μποζόνιο Higgs. Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τα πειράματα ATLAS και CMS το 2012 αποτελεί το τελευταίο κομμάτι του παζλ που επιβεβαιώνει το ΚΠ. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά μυστήρια της φύσης που το ΚΠ αδυνατεί να εξηγήσει, όπως η ύπαρξη σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας, και η ασυμμετρια ύλης-αντιύλης. Αρκετές θεωρίες επιδιώκουν να συμπληρώσουν το ΚΠ. Μερικές από αυτές προτείνουν επιπρόσθετα ηλεκτρικά φορτισμένα και ουδέτερα μποζόνια Higgs, η ανακάλυψη των οποίων θα αποτελούσε ένδειξη νέας φυσικής. Μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, τα πειράματα CMS και ATLAS στον Μεγάλο Aδρονικό Επιταχυντή (LHC) προσανατολίζουν τις πειραματικές τους μελέτες στην παρατήρηση πιθανών επεκτάσεων του ΚΠ, οι οποίες θα μπορούσαν να δώσουν απαντήσεις σε μια πληθώρα από αναπάντητα ερωτήματα στο πεδίο. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την αναζήτηση φορτισμένων μποζονίων Higgs με μάζα μεγαλύτερη από αυτή του top quark που διασπάται σε ένα ζεύγος top και bottom quark-antiquark, στην πλήρως αδρονική τελική κατάσταση. Η αναζήτηση χρησιμοποιεί δεδομένα σύγκρουσης πρωτονίου-πρωτονίου που καταγράφηκαν από τον ανιχνευτή CMS κατά την περίοδο 2016-2018 σε ενέργεια κέντρου μάζας 13TeV η οποία αντιστοιχεί σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 138fb-1. Προσομοιωμένα δεδομένα χρησιμοποιούνται επίσης για να περιγράψουν τη συμπεριφορά των γεγονότων σήματος και υποβάθρου. Τα γεγονότα ανακατασκευάζονται χρησιμοποιώντας αλγόριθμους ταυτοποίησης αντικειμένων, αξιοποιώντας πληροφορίες από όλα τα υποσυστήματα του ανιχνευτή CMS. Στην παρούσα εργασία εκτελούνται δύο αναλύσεις, καθεμία από τις οποίες στοχεύει σε διαφορετικές περιοχές με διαφορετική ευαισθησία στο μέγεθος της μάζας του αναζητούμενου μποζονίου. Η διακρίσιμη ή ``resolved'' ανάλυση έχει βελτιστοποιηθεί για την εύρεση φορτισμένων μποζονίων Higgs με μικρές μάζες που διασπώνται σε top quarks μέτριας εγκάρσιας ορμής που ανακατασκευάζονται ως τρεις ξεχωριστοί πίδακες (jets) μικρής ακτίνας. Η δεύτερη ανάλυση στοχεύει στην εύρεση φορτισμένων μποζονίων Higgs με μάζες μεγαλύτερες από 1TeV, και χρησιμοποιεί ανακατασκευασμένα top quarks χαμηλής ώθησης καθως επίσης συγχωνευμένους πίδακες μεγάλης ακτίνας που προέρχονται από αδρονικές διασπάσεις των top quarks με μεγάλη εγκάρσια ορμή. Η ανάλυση αυτή ονομάζεται ``semi-boosted''. Οι αναλύσεις χρησιμοποιούν τεχνικές πολλαπλών μεταβλητών για την ταυτοποίηση σωματιδίων και τo διαχωρισμό σήματος-υποβάθρου, και μεθόδους εκτίμησης υποβάθρου που στηρίζονται σε πραγματικά γεγονότα σύγκρουσης πρωτονίων. Οι αναλύσεις θεσπίζουν ανώτερα όρια αποκλεισμού στο γινόμενο της ενεργού διατομής παραγωγής φορτισμένου μποζονίου Higgs και του ποσοστού διακλάδωσης της διάσπασής του σε top και bottom quarks σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Η resolved ανάλυση θέτει ανώτερα όρια από 8.375 έως 0.107pb για μάζες φορτισμένων μποζονίων Higgs στην περιοχή από 200 έως 1250GeV. Η semi-boosted ανάλυση χρησιμοποιεί τα δεδομένα που καταγράφηκαν το 2018, που αντιστοιχούν σε 59.8fb-1. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία για μάζες φορτισμένων μποζονίων Higgs πάνω από 800GeV. Και για τις δύο αναλύσεις τα ανώτερα όρια που επιτυγχάνονται παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση σε σχέση με τα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν με τα δεδομένα του 2016.

Particle physics aims to explain our current understanding of the subatomic nature of the universe. Our current theory, the Standard Model (SM) of particle physics, describes the nature of the elementary constituents of matter and their interaction through the strong, weak and electromagnetic forces. Furthermore, it predicts a mechanism that is responsible for the non-zero masses of particles and introduces an additional particle, the Higgs boson. The discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS collaborations in 2012 was the last missing piece of the puzzle that confirmed the SM. However, there are many mysteries of the nature that the SM cannot explain, including the existence of dark energy, dark matter and the matter-antimatter asymmetry. Several theories seek to complete the SM. Some of them propose additional electrically charged and neutral Higgs bosons and the discovery of such particles would be a sign of new physics. After the discovery of the Higgs boson, the CMS and ATLAS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) oriented the experimental studies to the observation of any possible extensions of the SM, which could potentially provide answers to a variety of currently unanswered questions in the field. This work presents a search for charged Higgs bosons with a mass larger than that of the top quark, that decay to a top and bottom quark-antiquark pair, in the all-jet final state. The search uses proton-proton collision data recorded by the CMS detector during 2016-2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV that corresponds to an integrated luminosity of 138fb-1. Simulated data are also used to describe the behavior of signal and background events. The events are reconstructed using dedicated algorithms that identify physics objects, by exploiting information from all the sub-components of the CMS detector. Two analyses are performed, each targeting different regions of the signal parameter space. The resolved analysis is optimized for charged Higgs bosons with low masses that decay to top quarks with moderate transverse momentum (low Lorentz boost) identified as three separate small-radius jets. The semi-boosted analysis targets charged Higgs bosons with masses larger than 1 TeV, and utilizes collimated hadronically decaying Lorentz-boosted top quarks. The analyses use multivariate analysis techniques for particle identification and signal-to-background discrimination, and data-driven background estimation methods. The analyses report upper exclusion limits on the product of the charged Higgs boson production cross-section and the branching ratio of its decay to a top and a bottom quark at a 95% confidence level. The resolved analysis sets limits of 8.375 to 0.107 pb for charged Higgs boson masses in the range of 200 to 1250 GeV. The semi-boosted analysis uses the data recorded in 2018, corresponding to 59.8 fb-1. The preliminary results exhibit best sensitivity for large charged Higgs boson masses above 800 GeV. For both analyses, the upper limits show a significant improvement compared to the results published with the 2016 data.