Search for Dark Matter in association with a Higgs boson decaying into b-quarks with the ATLAS detector

Matić, Andrea (2020): Search for Dark Matter in association with a Higgs boson decaying into b-quarks with the ATLAS detector. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In dieser Arbeit werden zwei Suchen nach Dunkler Materie in Assoziation mit einem Higgs-Boson vorgestellt. Die Suchen basieren auf Daten, die vom ATLAS-Detektor in Proton-Proton-Kollisionen am LHC mit einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgenommen wurden. Es werden Endzustände mit fehlendem Transversalimpuls und einem Higgs-Boson, das in zwei b-Quarks zerfällt, untersucht. Abhängig vom Impuls des Higgs-Bosons wird zwischen zwei Signaturen unterschieden. Bei niedrigen Impulsen führen die h → bb̄ Zerfallsprodukte zu zwei getrennten Jets mit kleinen Radiusparameter im Kalorimeter, während sie bei hohen Impulsen in einem einzelnen Jet mit großen Radiusparameter kollimiert sind. Mithilfe von Unterstrukturinformationen wird ausgewertet, ob ein Jet mit großem Radiusparameter von zwei b-Quarks initiiert wurde. Die Suche wird in Signalregionen durchgeführt, die aus Ereignissen ohne Leptonen bestehen. Lepton-basierte Kontrollregionen werden verwendet, um die dominanten Untergründe zu bestimmen, die aus tt̄, W+jets and Z+jets Prozessen bestehen. Die Ergebnisse werden mit einem simultanen Fit evaluiert, welcher Informationen aus den Signal- und Kontrollregionen berücksichtigt. Die wichtigsten Fitvariablen sind die Masse des rekonstruierten Higgs-Boson-Kandidaten und der fehlende Transversalimpuls. Die erste Suche verwendet den vom 2015 bis 2017 aufgezeichneten Datensatz, der einer integrierten Luminosität von 79.8 fb⁻¹ entspricht. In dieser werden neuartige Rekonstruktionsmethoden verwendet, um den Multijetuntergrund zu reduzieren und die Identifikation von Higgs-Bosonen mit sehr hohen Impulsen zu verbessern. Die zweite Suche basiert au den von 2015 bis 2018 aufgezeichneten Daten, welche einer integrierten Luminosität von 139 fb⁻¹ entsprechen. Diese beinhaltet Verbesserungen in der Ereignisselektion wie auch in der statistischen Analyse, wodurch der tt̄ Untergrund weiter unterdrückt und die Sensitivät auf Dunkle-Materie-Signale in unterschiedlichen kinematischen Bereichen gesteigert werden kann. In keiner der Suchen ist ein signifikanter Überschuss an Daten im Vergleich zu den Standardmodellvorhersagen vorhanden. Beide Suchen werden in einem vereinfachten Modell, dem Z'-2HDM, für einen bestimmten Parameterbereich interpretiert. Dabei werden unterschiedliche Massen des Z'-Bosons und des pseudoskalaren Higgs-Bosons A getestet. In der Suche mit einem Datensatz von 139 fb⁻¹ können Z'-Bosonen bis zu einer Masse von 3.2 TeV auf einem Konfidenzniveau von 95% ausgeschlossen werden. Für die A-Masse reichen die Ausschlussgrenzen bis 700 GeV. Zusätzlich wird die Suche in einem anderen vereinfachten Modell, dem 2HDM+a, für zwei verschiedene Parameterbereiche interpretiert, die sich in ihrem dominanten Produktionsmechanismus unterscheiden. Für von Gluon-Gluon-Fusion initiierte Prozesse können A-Massen bis zu 1.6 TeV und Massen vom pseudoskalaren a bis zu 520 GeV ausgeschlossen werden. Für Produktion aus b-Quark-Paarvernichtung reichen die Ausschlussgrenzen für die Massen vom A und a bis zu 1 TeV bzw. 300 GeV.

Abstract

This thesis presents two searches for Dark Matter in association with a Higgs boson. The searches analyse the data recorded by the ATLAS detector in proton-proton collisions at the LHC with a centre-of-mass energy of 13 TeV. In these, final states with missing transverse momentum and a Higgs boson decaying into a pair of b-quarks are studied. Two different final state signatures are considered, which depend on the momentum of the Higgs boson. For low momenta, the h → bb̄ decay products lead to two well separated small-radius jets in the calorimeter, while for high momenta, they are collimated into a single large-radius jet. Additionally, jet substructure information is used to determine, whether the large-radius jet is compatible with originating from two b-quarks. The search is performed in signal regions consisting of events with no leptons in the final state. Control regions with leptons are used to constrain the dominant backgrounds, coming from tt̄, W+jets and Z+jets processes. The results are evaluated with a simultaneous fit, which takes into account information from the different signal and control regions. The main fit variables are the mass of the reconstructed Higgs boson candidate and the missing transverse momentum. The first search is based on the dataset collected from 2015 to 2017, which corresponds to an integrated luminosity of 79.8 fb⁻¹. This uses novel reconstruction methods to reduce the multijet background and improve the identification of Higgs bosons with very large momenta. The second search uses the dataset recorded from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb⁻¹. In this, several optimisations in the event selection and the statistical analysis are introduced. These allow for a better rejection of the tt̄ background and enhance the sensitivity to Dark Matter signals in different kinematic regimes. In both searches, no significant excess of data with respect to the Standard Model expectations is seen. The results of the searches are interpreted for a certain parameter subset of the Z'-2HDM benchmark model, in which different masses of the Z'-boson and the pseudoscalar Higgs boson A are tested. In the search with 139 fb⁻¹ of data, masses of the Z'-boson and A are excluded up to 3.2 TeV and 700 GeV at 95% confidence level, respectively. The results are additionally interpreted within the 2HDM+a benchmark model for two parameter regions, which differ in their dominant production mechanisms. For processes induced by gluon-gluon fusion, masses of A and of the pseudoscalar mediator a are excluded up to 1.6 TeV and 520 GeV, respectively. For signals from bb̄-induced production, the mass limits on A and a reach up to 1 TeV and 300 GeV, respectively.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. Dezember 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Lorenz, Jeanette