Search for charged Higgs boson in the τ+jets final state with proton-proton collision data recorded with the ATLAS experiment

Abstract

Prezentowana praca zawiera opis poszukiwań naładowanych bozonów Higgsa w kanale rozpadu H±→τ±ѵ w przedziale masowym 90-2000 GeV. Ich istnienie przewidziane jest w wielu rozszerzeniach Modelu Standardowego. Analiza wykonana została z użyciem 36 fb-1 danych zebranych przez detektor ATLAS w latach 2015-2016 przy energii w środku masy √s = 13 TeV. W celu wyodrębnienia sygnału hipotetycznego H± od procesów opisywanych przez Model Standardowy zastosowana została analiza wielowymiarowa będąca rozwinięciem poprzednich metod poszukiwawczych. W końcowej analizie statystycznej, jako zmiennej dyskryminacyjnej użyto wyniku klasyfikacji algorytmu opartego o wzmacniane drzewa decyzyjne (Boosted Decision Trees, BDT). Dodatkowo, ponieważ dla niskich mas naładowanego bozonu Higgsa, tj. pomiędzy masą bozonu W, a masą kwarka szczytowego, kinematyka procesów t→bH± _ oraz t→bW± może być bardzo podobna, dla rozróżnienia sygnału od tła wprowadzona została zmienna wrażliwa na polaryzacje¸ leptonu tau. Analizowane dane okazały się zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego. W związku z tym, wyznaczono niezależne od modelu ograniczenie na produkcje¸ naładowanego bozonu Higgsa σ(pp→[b]tH±)x BR(H±→τ±ѵ) wynoszące od 4.2 pb do 0.0025 pb dla mas H± w przedziale 90–2000 GeV. Odpowiada to górnemu limitowi dla stosunku rozgałęzień BR(t →bH±) x BR(H±→τ±ѵ) o wartości od 0.25% do 0.031% dla mas H± w przedziale 90–160 GeV. W interpretacji modelu hMSSM wykluczono wszystkie wartości tanβ dla mas H± poniżej 160 GeV. Podczas gdy, cały przedział mas H± do 1100 GeV jest wykluczony dla tanβ ≥ 60 GeV. Praca zawiera również opis pierwszego kompletnego wdrożenia tzw. metody embedding dla danych zebranych przez detektor ATLAS w okresie Run-2. Technika ta oparta jest na uniwersalności leptonowej rozpadu bozonu W. Pozwala to na skonstruowanie próbek hybrydowych ze zdarzeń z danych, w których zastępuje się¸ miony pochodzące z procesu W±→μ±ѵ, pochodzącymi z symulacji hadronowo rozpadającymi się¸ leptonami τ. Główną zaletą metody embedding jest jej ograniczona zależność od symulacji Monte Carlo jedynie do dobrze zrozumianych rozpadów bozonu W oraz leptonu τ. Wszystkie pozostałe własności zdarzenia pochodzą¸ bezpośrednio z danych. Wykazano, przy użyciu części danych z 2015 roku, że technika ta znacząco poprawia precyzje¸ oszacowania tła zawierającego hadronowo rozpadające się¸ leptony t. W porównaniu do zdarzeń w pełni pochodzących z symulacji Monte Carlo systematyczna niepewność ilości dominującego tła, pochodzącego z zawierających leptony τ procesów tt ̅, zostaje zredukowana z 26% do zaledwie 11%.

The thesis presents a search for charged Higgs bosons, predicted in many theories beyond the Standard Model, decaying via H±→τ±ѵ in the mass range between 90 and 2000 GeV. It is based on 36 fb-1 of data collected with the ATLAS detector at center-of-mass energy √s = 13 TeV in the years 2015 and 2016. As an improvement to the former searches, a multivariate analysis is applied and used to separate the H± signal from the Standard Model background processes. The Boosted Decision Trees, BDT, output score is used as the discriminating variable in the final statistical analysis. Furthermore, since at low H± masses i.e. between the W-boson and top-quark masses, the kinematics of the t→bH± and t→bW± decay products can be very similar, variable sensitive to the the τ lepton polarisation is additionally used to improve discrimination power. The data are found to be in agreement with the background-only hypothesis. Model-independent limits are set on the production cross-section times branching fraction σ(pp→[b]tH±)x BR(H±→τ±ѵ) between 4.2 pb and 0.0025 pb for the charged Higgs boson mass range of 90–2000 GeV, corresponding to upper limits between 0.25% and 0.031% for the branching fraction BR(t →bH±) x BR(H±→τ±ѵ) in the mass range 90–160 GeV. In the context of the hMSSM scenario, all tanβ values are excluded for mH± below 160 GeV, whereas the H± mass range up to 1100 GeV is excluded at tanβ = 60. The presented thesis constitutes also the first complete implementation of the embedding method in the ATLAS Run-2 analysis. The technique makes use of the lepton universality of the W boson decay by constructing hybrid samples with simulated hadronically decaying τ leptons replacing muons from W±→μ±ѵ events in data. The main advantage of the embedding method is that one relies on the simulations only for the well understood electroweak decays of W boson and τ lepton and all other event properties are taken directly from data. It has been proven on 2015 data that the technique presents a significant improvement in the precision of background estimation with true hadronically decaying τ leptons. Compared to the fully simulated events, the uncertainty on the yield of the dominant (tt) ̅ background containing true t leptons reduces from 26% to the mere 11%.