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Meineck, Christian (2014): Coupling measurement of the Higgs boson and search for heavy Higgs like bosons via the decay channel \hwwlnln with the ATLAS experiment. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Diese Arbeit pr\"asentiert zwei Analysen des Zerfallskanals \hwwlnln mit den Daten des ATLAS experiments am LHC. Die analysierten Daten wurden im Jahr 2011 bzw. 2012 bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s} = 7 \TeV$ bzw. $8 \TeV$ aufgezeichnet und es wurde eine integrierte Luminosit\"at von $25\,\textrm{fb}^{-1}$ erreicht. Die beiden Analysen unterscheiden sich im analysierten Phasenraum, der von der Massen $m_{\rm H}$ des Higgs boson Signals abh\"angt. Die Analyse f\"ur Massen $m_{\rm H} < 200 \GeV$ wurde \"uber die letzten Jahre optimiert, um in der Lage zu sein, eine Pr\"azisions Messung der Kopplungen einer Resonanz bei $m_{\rm H} \approx 125 \GeV$ durchzuf\"uhren. Dabei wird ein Likelihood Fit der transversalen Masse $\mT = \sqrt{ (E_{T}^{\ell \ell} + P_{T}^{\nu \nu})^2 - | \vec{P_{T}^{\ell \ell}} + \vec{P_{T}^{\nu \nu}|^2} }$ angewendet. Mit einer statistischen Signifikanz von $6.1 \sigma$ konnte ein \hwwlnln Signal bei einer Masse $m_{\rm H} = 125.36 \pm 0.41 \GeV$ beobachtet werden. Die Messung der Signalst\"arke, dem Verh\"altniss von experimentell bestimmtem Produktionswirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverh\"altnis zur theoretischen Prognose, ergab folgenden Wert: \begin{align*} \mu &= 1.08\,^{+0.16}_{+0.15} \textrm{(stat.)} \,^{+0.16}_{-0.14} \textrm{(syst.)}, \end{align*} was im Einklang mit der Standard-Modell-Vorhersage steht. Die Skalierung der Kopplungen des Higgs bosons an Fermionen und Bosonen wurden bestimmt zu: \begin{align*} \kappa_{F} &= 0.92\,^{+0.30}_{-0.23}\\ \kappa_{V} &= 1.04\,^{+0.10}_{-0.11}. \end{align*} Zur Suche nach schweren, Higgs boson artigen Teilchen wurde die Analyse des \\ \hwwlnln Zerfallskanals f\"ur Massen $m_{\rm H} > 200 \GeV$ optimiert. Auch im hohen Massenbereich wird ein Likelihood Fit an der Verteilung der transversalen Masse \mT durchgef\"uhrt. Es wurden obere Grenzen auf Produktionswirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverh\"altnis f\"ur drei Szenarien bestimmt: Standard-Model-Higgs-Boson im Massenbereich $200 \leq m_{\rm H} \leq 1 \TeV$, Higgs boson artige Resonanz mit einer Zerfallsbreite von $1 \GeV$ im Massenbereich $200 \leq m_{\rm H} \leq 2 \TeV$ und das elektroschwache Singlet Szenario im Massenbereich $200 \leq m_{\rm H} \leq 1 \TeV$, bei dem die Zerfallsbreite zus\"atzlich zur Masse variiert wird. Es konnte in keinem getesteten Szenario ein statistisch signifikanter Daten\"uberschuss beobachtet werden und dar\"uberhinaus konnte ein Standard Modell artiges Higgs Boson bis zu einer Masse von $m_{\rm H} = 661 \GeV$ ausgeschlossen werden.

Abstract

Two analyses of the decay channel \hwwlnln using the data of the ATLAS experiment at LHC are presented here. The data was recorded in the years 2011 and 2012 with a center of mass energy of $\sqrt{s} = 7 \TeV$ and $8 \TeV$, respectively, with a total integrated luminosity of $25\,\textrm{fb}^{-1}$ reached. The two presented analyses differ in the analyzed phase space, which depends on the mass $m_{\rm H}$ of the analyzed Higgs boson signal. The analysis for masses $m_{\rm H} < 200 \GeV$ is optimized to perform a high precision measurement of the couplings of the resonance at $m_{\rm H} \approx 125 \GeV$. A binned likelihood fit of the transverse mass distribution $\mT = \sqrt{ (E_{T}^{\ell \ell} + P_{T}^{\nu \nu})^2 - | \vec{P_{T}^{\ell \ell}} + \vec{P_{T}^{\nu \nu}|^2} }$ is used to obtain the results. A signal originating from a Standard Model Higgs boson with a mass $m_{\rm H} = 125.36 \pm 0.41 \GeV$ has been observed at a statistical significance of $6.1 \sigma$. The signal strength, defined as the ratio of the measured production cross section times branching ratio over the theoretical prediction, is: \begin{align*} \mu &= 1.08\,^{+0.16}_{+0.15} \textrm{(stat.)} \,^{+0.16}_{-0.14} \textrm{(syst.)}, \end{align*} which is in good agreement with the data and with the Standard Model prediction. The scaling factors of the couplings of the Higgs boson to fermions and bosons have been measured as: \begin{align*} \kappa_{F} &= 0.92\,^{+0.30}_{-0.23}\\ \kappa_{V} &= 1.04\,^{+0.10}_{-0.11}, \end{align*} which is also in good agreement with the Standard Model prediction. In order to search for heavier Higgs like particles, the analysis of \hwwlnln decays is also optimized for masses $m_{\rm H} \geq 200 \GeV$. As in the analysis optimized for $m_{\rm H} < 200 \GeV$, a binned likelihood fit of the transverse mass \mT is used. Upper limits on the product of production cross section and branching ratio have been obtained for three scenarios: Standard Model Higgs boson in the mass range $200 \leq m_{\rm H} \leq 1 \TeV$, a Higgs like particle with a decay width of $1 \GeV$ in the mass range $200 \leq m_{\rm H} \leq 2 \TeV$ and the electroweak singlet scenario in the mass range $200 \leq m_{\rm H} \leq 1 \TeV$ with the decay width being an additional free parameter. No statistically significant excess of the observed data over the expectation is observed, and a heavy Standard Model Higgs boson is excluded up to a mass of $m_{\rm H} = 661 \GeV$.