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Search for a high-mass Higgs Boson with the ATLAS detector at the LHC
Search for a high-mass Higgs Boson with the ATLAS detector at the LHC
Die vorliegende Arbeit präsentiert die Suche nach einem schweren Higgs Boson im Zerfallskanal H -> W^+ W^- -> l^+v l^-v. Dabei ist der Endzustand mit einem Elektron und einem Myon und deren assoziierten Neutrinos berücksichtigt. Diese Signatur zeichnet sich durch eine hohe experimentelle Sensitivität im Vergleich zum Zerfall nach zwei Elektronen oder zwei Myonen aus, da der hohe Untergrund durch die Produktion eines Z Bosons stark unterdrückt ist. Für die Produktion des Higgs Bosons werden die Gluon-Gluon Fusion und Vektorboson Fusion in Betracht gezogen. Die präsentierte Analyse benutzt Daten des LHC Experiments ATLAS, die mit Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgenommen wurden. Dabei entspricht die Datenmenge einer integrierten Luminosität von 13,2 fb^-1. Um nach einem vom Untergrund der Standardmodell-Prozesse signifikant verschiedenen Signal zu suchen, wird die Verteilung der transversalen Masse benutzt. Diese wird aus dem Elektron-Myon Paar und dem fehlenden transversalen Impuls aufgrund der Neutrinos rekonstruiert. Die Analyse definiert drei Signalregionen, die die charakteristischen kinematischen Eigenschaften der beiden Produktionskanäle ausnutzen, um das Signal vom Standardmodell Untergrund zu trennen. Die dominanten Untergründe durch Zerfälle von Top Quarks und nicht-resonanten W Boson Paaren werden in einem Likelihood Fit durch Kontrollregionen normiert. Es werden zwei Signalinterpretationen untersucht, wobei eine Masse des schweren Higgs Bosons bis zu 3000 GeV angenommen wird. Dabei nimmt die sogenannte "Narrow Width Approximation" eine vernachlässigbare Linienbreite des Bosons an, wohingegen die "Large Width Assumption" verschiedene Breiten bis zu 15% der Masse des schweren Higgs Bosons betrachtet. Im Rahmen der präsentierten Suche nach einem schweren Higgs Boson kann kein signifikanter Überschuss über dem Standardmodell Untergrund in den analysierten Daten beobachtet werden. Die Analyse setzt obere Ausschlussgrenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt eines ungeladenen, schweren skalaren Bosons, multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis zu zwei W Bosonen, mit einem Konfidenzniveau von 95%. Ein schweres Boson in der Interpretation der Narrow Width Approximation im Gluon-Gluon Fusionskanal wird mit einem Wirkungsquerschnitt bis maximal 1,37 und 0,051 pb für eine Masse von 400 und 2800 GeV ausgeschlossen. Die Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt eines schweren Bosons mit vernachlässigbarer Breite im Vektorboson Fusionskanal können bei den selben Massen auf 0,49 und 0,030 pb gesetzt werden. Für ein schweres Boson im Gluon-Gluon Fusionskanal mit einer Linienbreite von 15% seiner Masse kann ein Wirkungsquerschnitt bis maximal 1,4 und 0,071 pb bei einer Masse von 400 und 2800 GeV ausgeschlossen werden., This thesis presents the search for a high-mass Higgs boson in the H -> W^+ W^- -> l^+v l^-v decay channel. The final state with one electron and one muon and their associated neutrinos is considered. This signature is experimentally more sensitive than the one with two electrons or two muons, due to the strong suppression of background contributions from the production of a Z boson. For the production modes of the Higgs boson, the gluon-gluon fusion and vectorboson fusion channels are taken into account. Proton-proton collision data recorded by the LHC experiment ATLAS at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 13.2 fb^-1, are analysed. The spectrum of the transverse mass, reconstructed from the electron-muon pair and missing transverse momentum from the neutrinos, is probed for a signal excess above the background from Standard Model processes. Three signal regions are defined to target the characteristic kinematic properties of the two production channels, in order to discriminate the signal from the Standard Model background. Data control regions are used to constrain the normalisation of the dominant background contributions coming from top quark processes and the non-resonant decay of W boson pairs in a likelihood fit. Two signal interpretations are studied for a heavy boson mass up to 3000 GeV. The narrow width approximation assumes a negligible line width of the hypothesised boson, while the large width assumption considers widths up to 15% of the heavy boson mass. No significant excess above the Standard Model background is observed in the analysed data. In the absence of a signal excess, upper exclusion limits are placed at 95% confidence level on the production cross section of a charge neutral heavy scalar boson, multiplied with the branching ratio to two W bosons. For the interpretation of the narrow width approximation in the gluon-gluon fusion production mode, a cross section down to 1.37 and 0.051 pb is excluded for a mass of 400 and 2800 GeV, respectively. Upper limits on the cross section of a heavy boson with negligible width in the vectorboson fusion channel can be placed at 0.49 and 0.030 pb at the same mass points. For a heavy boson in the gluon-gluon fusion channel with a line width of 15% of its mass, a cross section down to 1.4 and 0.071 pb is excluded for a mass of 400 and 2800 GeV, respectively.
HWW, high-mass Higgs, heavy Higgs, schweres Higgs, ATLAS, Beyond Standard Model
Maier, Thomas
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Maier, Thomas (2017): Search for a high-mass Higgs Boson with the ATLAS detector at the LHC. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die vorliegende Arbeit präsentiert die Suche nach einem schweren Higgs Boson im Zerfallskanal H -> W^+ W^- -> l^+v l^-v. Dabei ist der Endzustand mit einem Elektron und einem Myon und deren assoziierten Neutrinos berücksichtigt. Diese Signatur zeichnet sich durch eine hohe experimentelle Sensitivität im Vergleich zum Zerfall nach zwei Elektronen oder zwei Myonen aus, da der hohe Untergrund durch die Produktion eines Z Bosons stark unterdrückt ist. Für die Produktion des Higgs Bosons werden die Gluon-Gluon Fusion und Vektorboson Fusion in Betracht gezogen. Die präsentierte Analyse benutzt Daten des LHC Experiments ATLAS, die mit Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgenommen wurden. Dabei entspricht die Datenmenge einer integrierten Luminosität von 13,2 fb^-1. Um nach einem vom Untergrund der Standardmodell-Prozesse signifikant verschiedenen Signal zu suchen, wird die Verteilung der transversalen Masse benutzt. Diese wird aus dem Elektron-Myon Paar und dem fehlenden transversalen Impuls aufgrund der Neutrinos rekonstruiert. Die Analyse definiert drei Signalregionen, die die charakteristischen kinematischen Eigenschaften der beiden Produktionskanäle ausnutzen, um das Signal vom Standardmodell Untergrund zu trennen. Die dominanten Untergründe durch Zerfälle von Top Quarks und nicht-resonanten W Boson Paaren werden in einem Likelihood Fit durch Kontrollregionen normiert. Es werden zwei Signalinterpretationen untersucht, wobei eine Masse des schweren Higgs Bosons bis zu 3000 GeV angenommen wird. Dabei nimmt die sogenannte "Narrow Width Approximation" eine vernachlässigbare Linienbreite des Bosons an, wohingegen die "Large Width Assumption" verschiedene Breiten bis zu 15% der Masse des schweren Higgs Bosons betrachtet. Im Rahmen der präsentierten Suche nach einem schweren Higgs Boson kann kein signifikanter Überschuss über dem Standardmodell Untergrund in den analysierten Daten beobachtet werden. Die Analyse setzt obere Ausschlussgrenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt eines ungeladenen, schweren skalaren Bosons, multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis zu zwei W Bosonen, mit einem Konfidenzniveau von 95%. Ein schweres Boson in der Interpretation der Narrow Width Approximation im Gluon-Gluon Fusionskanal wird mit einem Wirkungsquerschnitt bis maximal 1,37 und 0,051 pb für eine Masse von 400 und 2800 GeV ausgeschlossen. Die Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt eines schweren Bosons mit vernachlässigbarer Breite im Vektorboson Fusionskanal können bei den selben Massen auf 0,49 und 0,030 pb gesetzt werden. Für ein schweres Boson im Gluon-Gluon Fusionskanal mit einer Linienbreite von 15% seiner Masse kann ein Wirkungsquerschnitt bis maximal 1,4 und 0,071 pb bei einer Masse von 400 und 2800 GeV ausgeschlossen werden.

Abstract

This thesis presents the search for a high-mass Higgs boson in the H -> W^+ W^- -> l^+v l^-v decay channel. The final state with one electron and one muon and their associated neutrinos is considered. This signature is experimentally more sensitive than the one with two electrons or two muons, due to the strong suppression of background contributions from the production of a Z boson. For the production modes of the Higgs boson, the gluon-gluon fusion and vectorboson fusion channels are taken into account. Proton-proton collision data recorded by the LHC experiment ATLAS at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 13.2 fb^-1, are analysed. The spectrum of the transverse mass, reconstructed from the electron-muon pair and missing transverse momentum from the neutrinos, is probed for a signal excess above the background from Standard Model processes. Three signal regions are defined to target the characteristic kinematic properties of the two production channels, in order to discriminate the signal from the Standard Model background. Data control regions are used to constrain the normalisation of the dominant background contributions coming from top quark processes and the non-resonant decay of W boson pairs in a likelihood fit. Two signal interpretations are studied for a heavy boson mass up to 3000 GeV. The narrow width approximation assumes a negligible line width of the hypothesised boson, while the large width assumption considers widths up to 15% of the heavy boson mass. No significant excess above the Standard Model background is observed in the analysed data. In the absence of a signal excess, upper exclusion limits are placed at 95% confidence level on the production cross section of a charge neutral heavy scalar boson, multiplied with the branching ratio to two W bosons. For the interpretation of the narrow width approximation in the gluon-gluon fusion production mode, a cross section down to 1.37 and 0.051 pb is excluded for a mass of 400 and 2800 GeV, respectively. Upper limits on the cross section of a heavy boson with negligible width in the vectorboson fusion channel can be placed at 0.49 and 0.030 pb at the same mass points. For a heavy boson in the gluon-gluon fusion channel with a line width of 15% of its mass, a cross section down to 1.4 and 0.071 pb is excluded for a mass of 400 and 2800 GeV, respectively.