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Hönig, Georg Friedrich (2017): Search for a scalar dimuon resonance with LHC Run2 data from the ATLAS detector. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Diese Analyse stellt die Suche nach einem Higgs-artigen Boson vor, das in entgegengesetzt geladene Myonen zerfällt. Das invariante Massenspektrum des Dimyonsystems wird nach einem Peak oberhalb der Z-Resonanz hin untersucht, der von H → μμ stammt. Die zwei berücksichtigten Produktionsmechanismen des Higgs-Bosons sind Gluon-Gluon-Fusion (ggF) und Vektorboson-Fusion (VBF). Letztere weist in ihrem Endzustand zwei zusätzliche Jets auf. Der dominante Hintergrund stammt vom Z/Drell-Yan Prozess. Diese Arbeit benutzt Daten, die im Jahr 2015 vom ATLAS Detektor am LHC während Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13TeV aufgezeichnet wurden. Die analysierte Datenmenge enspricht einer integrierten Luminosität von 3.2fb-1. Ereignisse werden anhand ihrer kinematischen Merkmale in sieben Regionen mit erhöhtem Signalanteil eingeteilt. Eine der Regionen zielt hauptsächlich auf VBF-Produktion ab, während die anderen darauf optimiert sind, die uneinheitliche Massenauflösung des Detektors auszunutzen. Die Form des Hintergrundspektrums wird auf der Basis von Monte-Carlo-Simulationen untersucht und eine parametrisierte Funktion entwickelt, um sie zu beschreiben. Zusätzlich wird die Form und Normierung des Signalpeaks in den verfügbaren simulierten Datensätzen für gegebene Higgs-Massen mittels einer parametrisierten Funktion modelliert. Aus der Interpolation der zugehörigen Parameter ergeben sich Signaltemplates für Hypothesen beliebiger Higgs-Massen. Ein kombinierter Fit des Signal- und Hintergrund-Modells wird in den sieben Signalregionen durchgeführt, um sowohl die Hintergrundabschätzung als auch das gemessene Signal zu extrahieren. Kein signifikanter Überschuss über der Erwartung dessen, was das Standard Modell ohne den H → μμ Zerfall vorhersagt, wurde in den analysierten Daten beobachtet. Ausschlussgrenzen an die Signalstärke auf dem 95% Konfidenzniveau werden als Funktion der Higgsmasse im Bereich von 115GeV bis 145GeV gelegt. Dieses Ergebnis wird zusätzlich als Ausschlussgrenze an das Produkt von Wirkungsquerschnitt und Verzweigungsverhältnis des Zerfalls eines allgemeineren skalaren Bosons interpretiert, das in Myonpaare zerfällt.

Abstract

This analysis presents the search for a Higgs-like Boson decaying into a pair of oppositely charged muons. The invariant mass spectrum of the dimuon system is investigated for a peak above the Z-resonance arising from H → μμ decays. The two considered production mechanisms for the Higgs boson are gluon-gluon fusion (ggF) and vector boson fusion (VBF), the latter featuring two additional jets in its final state. The dominant background arises from the Z/Drell-Yan process. This thesis uses data taken by the ATLAS detector at the LHC during proton-proton collisions at a center of mass energy of 13TeV in 2015. The amount of data analyzed corresponds to an integrated luminosity of 3.2fb-1. Events are selected on the basis of their kinematic features into a total of seven regions with enhanced signal contribution. One of the region targets primarily VBF production, while the others are optimized to take advantage of varying mass resolution of the detector. The shape of the background spectrum is studied based on Monte Carlo simulations and a parametrized fit function is developed to describe it. In addition, the shape and normalization of the signal peak for the set of available simulated Higgs mass points is modeled by another parametrized fit function. Interpolating the associated parameters yields signal templates for arbitrary Higgs mass hypotheses. A combined fit of the signal and background model to data is performed in the seven signal regions to extract both the background estimation and the measured signal. No significant excess above the expectation from the Standard Model without the H → μμ decay has been observed in the analyzed data. A 95% confidence exclusion limit is set on the signal strength as a function of Higgs mass in the range between 115GeV and 145GeV. This result is re-interpreted as a limit on cross section times branching ratio for the decay of a more general scalar boson decaying into muon pairs.