Search for extended scenarios of electroweak symmetry breaking with the ATLAS experiment at LHC

Abstract

W ramach poszukiwań rozszerzonych scenariuszy łamania symetrii elektrosłabej, niniejsza praca doktorska przedstawia rozwój narzędzi fenomenologicznych oraz technik analizy danych doświadczalnych użytych w poszukiwaniu elektrycznie naładowanego bozonu Higgsa w eksperymencie ATLAS. Rozprawa podzielona jest na dwie części. Część pierwsza skupia się˛ na rozwoju narzędzi programistycznych służących do generowania precyzyjnych przewidywań dla procesów zawierających leptony τ w stanie końcowym, włączając sygnał, tło oraz ich interferencje˛ w Modelu Standar- dowym (MS) oraz modelach rozszerzających sektor łamania symetrii elektrosłabej. Przedstawione badania dotyczą˛ rozwoju programu TauSpinner. Jest to narzędzie pozwalające na modyfikowanie modelu fizycznego wygenerowanych próbek Monte Carlo w zakresie dynamiki procesu produkcji, bez konieczności ponownego ich generowania. Proces produkcji i rozpadu leptonu τ jest modyfikowany zgodnie ze zmienionym modelem fizycznym przy użyciu wag. W pracy przedstawiono nową wersję programu TauSpinner pozwalającą na wprowadzanie niestandardowych stanów i sprzężeń oraz badanie ich wpływu na procesy fuzji bozonów wektorowych. Badano również korelacje spinowe pary leptonów τ w procesach zawierających dodatkowo dwa twarde strumienie cząstek w stanie końcowym. Druga część rozprawy opisuje poszukiwania elektrycznie naładowanego bozonu Higgsa rozpadającego się na lepton τ oraz jego neutrino w eksperymencie ATLAS na Wielkim Zderzaczu Hadronów (ang.: LHC). Obserwacja eksperymentalna naładowanych bozonów Higgsa, H+, przewidywanych w wielu modelach rozszerzających sektor Higgsa, byłaby jednoznacznym dowodem fizyki wykraczającej poza MS. Ta część rozprawy poświęcona jest poszukiwaniu H+ w sygnaturach τ+jets i τ+lepton przy użyciu danych eksperymentu ATLAS kolejno z lat 2015-2016 oraz pełnego Run-II (2015-2018). W tej części praca skupia się na technikach analizy wielu zmiennych używanych do finalnej identyfikacji sygnału oraz na opartej na danych metodzie oszacowania tła pochodzącego od strumieni cząstek błędnie identyfikowanych jako hadronowo rozpadające się˛ leptony τ.

As part of the search for extended scenarios of electroweak symmetry breaking the thesis presents development of phenomenological tools and analysis techniques used in the search for charged Higgs bosons with the ATLAS experiment. This thesis is divided in two parts. The first part is devoted to development of tools used for high precision pre- dictions for processes containing τ leptons in the final state, including signal, back- ground and their interference in the Standard Model (SM) and Beyond the Standard Model (BSM) electroweak symmetry breaking scenarios. The studies concern de- velopment of the TauSpinner program. TauSpinner is a software for modifying the physics model of Monte Carlo generated samples in case of the changed assump- tions about the event production dynamics without needing to re-generating events. With the help of weights the τ lepton production or decay processes can be modi- fied according to a new physics model. A new version of TauSpinner is presented which includes a mechanism for introducing non-standard states and couplings and studying their effects in vector-boson-fusion processes. Spin correlations of τ lepton pair in processes where final states include also two hard jets were also investigated. The second part of the thesis presents a search for charged Higgs bosons decay- ing to a τ lepton and its neutrino with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The experimental observation of charged Higgs bosons, H+, which are predicted by several models with an extended Higgs sector, would indicate physics beyond the SM. This part of the thesis is dedicated to the search for H+ using τ+jets and τ+lepton topologies in 2015+2016 and full Run-II (2015-2018) AT- LAS data-sets. In this part, focus is on multivariate analysis techniques used for setting up the final signal discriminant and the data-driven technique to estimate backgrounds arising from jets misidentified as hadronically decaying τ leptons.