Search for resonant Higgs boson pair production in the bb̄WW* decay channel in the boosted 1-lepton final state using the full Run 2 ATLAS dataset

von Kira Abeling
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2022-04-01
Erschienen:2022-05-03
Betreuer:Prof. Dr. Stan Lai
Gutachter:Prof. Dr. Stan Lai
Gutachter:Prof. Dr. Ariane Frey
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9203

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

Despite the great success of the Standard Model of Particle Physics in explaining physics phenomena over a wide range of energy scales, many open questions remain and it is known that this model of nature is incomplete. The Higgs boson as the most recent discovered particle has completed the Standard Model. With its coupling to mass, it is an excellent candidate to shed light on physics beyond the Standard Model. This thesis presents the search for resonant Higgs boson pair (HH) production as well as resonant production of a Higgs boson in association with another additional scalar particle (SH) in the bb̄WW* decay channel with one charged lepton in the final state using the full Run 2 dataset recorded by ATLAS. This decay channel combines the advantages of a high branching ratio with a reasonable background level due to the lepton in the final state. The mass of the scalar resonance considered ranges between mX = 800 GeV and mX = 5 TeV for HH production and between mX = 750 GeV and mX = 3 TeV for SH production. The latter introduces a second mass scale mS which covers the range between mS = 170 GeV and mS = 2.5 TeV where mS < mX − mH is required. Assuming the scalar particle has couplings similar to the Higgs boson, the decay S → WW will be dominant for the entire considered mass range. Due to the high mass of the heavy scalar resonance, the boosted topology is exploited where the decay products of the Higgs boson decaying to a bb̄-pair as well as the decay products of the hadronically decaying W boson cannot be resolved. They are therefore reconstructed as single hadronic objects called large-R jets. Furthermore, one of the large-R jets is expected to overlap with the charged lepton making this topology not only unique but challenging to reconstruct. This dense environment requires the use of new approaches such as track assisted reclustered jets which profit from the excellent spatial resolution of tracks to describe the large-R jets. Moreover, only muons will be considered as charged leptons in the final state of this search since they are less sensitive to hadronic energy deposits close by. Since no significant excess of data over the expected backgrounds is expected in the ATLAS Run 2 dataset, expected 95% CLs upper limits are evaluated on the respective cross sections. The limits become more stringent for higher values of m X due to the reduced amount of background in this phase space, and smaller m S due to the more boosted topology. Therefore, the best expected limits without considering systematic uncertainties are σ(pp → X → HH) = 2.8 fb at mX = 5 TeV and σ(pp → X → SH) × BR(SH → bb̄W W ) = 0.87 fb at mX = 3 TeV and mS = 240 GeV.
Keywords: Higgs boson; Higgs boson pairs; ATLAS; Beyond Standard Model Physics

Deutsch

Trotz des beachtlichen Erfolgs des Standardmodells der Teilchenphysik, Physikphänomene über viele Energiebereiche hinweg zu beschreiben, bleiben viele Fragen unbeantwortet und es ist bekannt, dass dieses Modell unvollständig ist. Das Higgsboson, als zuletzt entdecktes Teilchen, hat das Standardmodell vervollständigt. Mit seiner Kopplung an die Teilchenmasse ist es ein exzellenter Kandidat für die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Diese Arbeit präsentiert die Suche nach resonanter Higgsboson-Paarproduktion (HH) sowie nach resonanter Produktion eines Higgsbosons in Verbindung mit einem weiteren skalaren Teilchen (SH) im bb̄WW* Zerfallskanal mit einem geladenen Lepton im Endzustand unter der Verwendung des kompletten Run 2 Datensatzes, der von Atlas aufgenommen wurde. Dieser kombiniert die Vorteile eines hohen Verzweigungsverhältnisses mit angemessenen Untergrundbeiträgen aufgrund des Leptons im Endzustand. Die Masse der betrachteten skalaren Resonanz liegt zwischen mX = 800 GeV und mX = 5 TeV für die HH-Produktion und zwischen mX = 750 GeV und mX = 3 TeV für die SH-Produktion. Letztere führt eine weitere Massenskala ein, die den Bereich zwischen mS = 170 GeV und mS = 2.5 TeV abdeckt, wobei mS < mX − mH verlangt wird. Wird angenommen, dass das skalare Teilchen ähnliche Kopplungen wie das Higgsboson besitzt, dann dominiert der Zerfall S → WW den ganzen betrachteten Massenbereich. Aufgrund der hohen Masse der schweren skalaren Resonanz wird die „boosted“ Topologie verfolgt. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die Zerfallsprodukte des Higgsbosons, welches in ein bb̄-Paar zerfällt, sowie die Zerfallsprodukte des hadronisch zerfallenden W -Bosons nicht mehr auflösbar sind. Daher werden sie in einem hadronischen Objekt, genannt large-R Jet, zusammengefasst. Darüber hinaus wird erwartet, dass einer der large-R Jets mit dem Lepton überlappt, was in einer schwierigen aber ebenso einzigartigen Topologie resultiert. Diese dicht besiedelte Umgebung verlangt nach neuen Ansätzen wie „trackassisted reclustered Jets“, die von der hervorragenden räumlichen Spurauflösung profitieren, zur Rekonstruktion der large-R Jets. Weiterhin werden lediglich Myonen als Leptonen in dieser Suche in Betracht gezogen, da diese weniger von nahen hadronischen Energiesignalen beeinflusst werden. Da kein signifikanter Überschuss von Daten verglichen mit dem Untergrund für den ATLAS Run 2 Datensatz abzusehen ist, werden 95% CLs erwartete obere Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt gesetzt. Die Grenzen werden stringenter für höhere mX Werte, da in dieser Region weniger Untergrund zu finden ist, und für kleinere mS Werte, weil hier die Topologie mehr geboostet ist. Daher sind die stärksten zu erwartetenden Grenzen ohne Einberechnung systematischer Unsicherheiten erreicht mit σ(pp → X → HH) = 2.8 fb für mX = 5 TeV und mit σ(pp → X → HH) × BR(SH → bb̄W W ) = 0.87 fb für mX = 3 TeV und mS = 240 GeV.
 
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