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Publicação
Search for the higgs boson at ATLAS/LHC in WH associated production and decay to b-quark pairs
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Resumo(s)
The Higgs mechanism was incorporated in the Standard Model of elementary particles and interactions in the 1960’s to solve the existent conflict between massive particles and conservation laws of particle physics. A consequence of this mechanism is the prediction of a new fundamental particle, the Higgs boson, observed for the first time in 2012 by the ATLAS and CMS experiments at the Large Hadron Collider. This thesis describes the search for the Higgs decay into a pair of bquarks with the ATLAS experiment, using pp collision events with an 8 TeV center-of-mass energy provided by the LHC in 2012. Although the branching fraction of the H → bb⁻ decay is dominant (BR(H→ bb⁻ ) =57.7% for mH = 125 GeV), this decay mode was not yet observed. The search is particularly challenging given the huge amount of background events containing jets. To reduce this background, the Higgs production associated with aW=Z boson is usually explored, as the leptons resulting from the W=Z decay can effectively trigger the signal. The W associated production with the W boson decaying leptonically is considered. The data analysis searches for events compatible with the W H → lv bb⁻ signal topology: one electron or muon, missing transverse energy associated with the undetected neutrino and two jets resulting from b - quark fragmentation. Events containing jets and charged leptons, as topquark production andW+jets, are the main backgrounds of the analysis. Since their production cross-section is much larger than the signal cross-section, the resulting signal-to-background proportion, (B) S/ √B only 0.3. The analysis comprehends a Multivariate technique, Boosted Decision Tree (BDT), to exploit correlations in the event observables aiming at increasing the sensitivity to the signal. A study that resulted in a 12% gain in the BDT performance was carried on. Samples of signal and background simulated in the same conditions as data are also analysed. Given the small S=pB, it was indispensable to verify that the simulation models correctly the background processes, and to evaluate the systematical uncertainties associated with their prediction. In this context, a study to determine the systematic uncertainties of the single top background modelling was conducted. The ratio between the observed signal event rate and the Standard Model prediction was 1:65⁺0:58 ₋0:56(stat) ⁺0:58 ₋0:48(syst) = 1:65 ⁺0:82₋0:74, and therefore the measurement is compatible with the SM prediction within uncertainties. The signal significance, representing the compatibility between the data observation and the background-only hypothesis, corresponds to the gaussian probability of observing a value larger than 2.02 standard deviations and is not sufficient to state the observation of the W H → lv bb⁻ process.
O mecanismo de Higgs foi introduzido no Modelo Padrão das partículas elementares e suas interacção¸ na década de 1960, para resolver o conflito existente entre partículas massivas e leis de conservação da física de partículas. Uma das consequências deste mecanismo ´e a previsão de uma nova partícula fundamental, o bosão de Higgs, observado pela primeira vez em 2012 pelas experiencias ATLAS e CMS do LHC/CERN. Esta tese descreve a pesquisa pelo bosão de Higgs através do seu decaimento em pares de quarks b com o detector ATLAS, usando acontecimentos de colisões pp com uma energia de centro-de-massa de 8 TeV. Este modo de decaimento ainda não foi observado, embora a razão de bifurcação (BR) seja dominante relativamente aos processos alternativos: para um Higgs de massa mH = 125 GeV, BR(H → lv bb⁻) =57.7%. A sua procura ´e desafiante e difícil devido à quantidade de acontecimentos de fundo com jactos de partículas. Para reduzir esse fundo, escolhe-se a produção do bosão de Higgs associada a um bosão W=Z, uma vez que os leptões resultantes do decaimento do W=Z constituem uma forma efectiva de identificar o sinal. Considera-se a produção associada a umW e seleccionam-se os acontecimentos de acordo com a topologia do sinal W H → lv bb⁻ : um electrão ou um muão, energia em falta associada ao neutrino e dois jactos resultantes da fragmentação dos quarks b. Acontecimentos que resultam em jactos e leptões carregados, como a produção¸ de quarks top e de W+jactos, constituem os fundos principais da análise. Como a seccão eficaz de produção¸ ˜ao destes processos ´e muito superior à do sinal, a proporção de acontecimentos de sinal (S) e fundo (B) S/ √B e de apenas 0.3. A análise usa uma t´técnica Multivariacional, que explora correlações entre diferentes observáveis através do método Boosted Decision Tree (BDT), para aumentar a sensibilidade aos acontecimentos de sinal. Realizou-se um estudo que permitiu melhorar o desempenho da BDT até 12%. São também analisadas amostras de simulação de sinal e fundos nas mesmas condicões. Dada a pequena significância do sinal relativamente ao fundo, foi indispensável verificar que a simulação modela correctamente os fundos e avaliar as incertezas sistemáticas na sua previsão. Neste contexto, foi efectuado um estudo que levou `a determinação das incertezas sistemáticas associadas `a modelação da produção¸ do quark top. A razão entre a taxa de acontecimentos de sinal observada e a prevista pelo Modelo Padrão foi 1:65⁺0:58 ₋0:56(stat) ⁺0:58 ₋0:48(syst) = 1:65 ⁺0:82, medida compatível com a previsão tendo em conta as incertezas obtidas. A significância do sinal medido, que representa a probabilidade dos dados observados serem compatíveis com a hipótese de ausência de sinal, corresponde `a probabilidade gaussiana de observar um valor superior a 2.02 desvios padrão e ´e insuficiente para se declarar a observação do processo W H → lv bb⁻.
O mecanismo de Higgs foi introduzido no Modelo Padrão das partículas elementares e suas interacção¸ na década de 1960, para resolver o conflito existente entre partículas massivas e leis de conservação da física de partículas. Uma das consequências deste mecanismo ´e a previsão de uma nova partícula fundamental, o bosão de Higgs, observado pela primeira vez em 2012 pelas experiencias ATLAS e CMS do LHC/CERN. Esta tese descreve a pesquisa pelo bosão de Higgs através do seu decaimento em pares de quarks b com o detector ATLAS, usando acontecimentos de colisões pp com uma energia de centro-de-massa de 8 TeV. Este modo de decaimento ainda não foi observado, embora a razão de bifurcação (BR) seja dominante relativamente aos processos alternativos: para um Higgs de massa mH = 125 GeV, BR(H → lv bb⁻) =57.7%. A sua procura ´e desafiante e difícil devido à quantidade de acontecimentos de fundo com jactos de partículas. Para reduzir esse fundo, escolhe-se a produção do bosão de Higgs associada a um bosão W=Z, uma vez que os leptões resultantes do decaimento do W=Z constituem uma forma efectiva de identificar o sinal. Considera-se a produção associada a umW e seleccionam-se os acontecimentos de acordo com a topologia do sinal W H → lv bb⁻ : um electrão ou um muão, energia em falta associada ao neutrino e dois jactos resultantes da fragmentação dos quarks b. Acontecimentos que resultam em jactos e leptões carregados, como a produção¸ de quarks top e de W+jactos, constituem os fundos principais da análise. Como a seccão eficaz de produção¸ ˜ao destes processos ´e muito superior à do sinal, a proporção de acontecimentos de sinal (S) e fundo (B) S/ √B e de apenas 0.3. A análise usa uma t´técnica Multivariacional, que explora correlações entre diferentes observáveis através do método Boosted Decision Tree (BDT), para aumentar a sensibilidade aos acontecimentos de sinal. Realizou-se um estudo que permitiu melhorar o desempenho da BDT até 12%. São também analisadas amostras de simulação de sinal e fundos nas mesmas condicões. Dada a pequena significância do sinal relativamente ao fundo, foi indispensável verificar que a simulação modela correctamente os fundos e avaliar as incertezas sistemáticas na sua previsão. Neste contexto, foi efectuado um estudo que levou `a determinação das incertezas sistemáticas associadas `a modelação da produção¸ do quark top. A razão entre a taxa de acontecimentos de sinal observada e a prevista pelo Modelo Padrão foi 1:65⁺0:58 ₋0:56(stat) ⁺0:58 ₋0:48(syst) = 1:65 ⁺0:82, medida compatível com a previsão tendo em conta as incertezas obtidas. A significância do sinal medido, que representa a probabilidade dos dados observados serem compatíveis com a hipótese de ausência de sinal, corresponde `a probabilidade gaussiana de observar um valor superior a 2.02 desvios padrão e ´e insuficiente para se declarar a observação do processo W H → lv bb⁻.
Descrição
Tese de doutoramento, Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
Palavras-chave
Teses de doutoramento - 2017 Física das partículas Bosão de Higgs