Yliopiston etusivulle Suomeksi På svenska In English Helsingin yliopisto

Search for a Light Charged Higgs Boson in the CMS Experiment in pp Collisions at sqrt(s) = 7 TeV

Show full item record

Files in this item

Files Description Size Format View/Open
searchfo.pdf 8.391Mb PDF View/Open
Use this URL to link or cite this item: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8109-5
Vie RefWorksiin
Title: Search for a Light Charged Higgs Boson in the CMS Experiment in pp Collisions at sqrt(s) = 7 TeV
Author: Kortelainen, Matti
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Elementary particle physicsHelsinki Institute of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (monograph)
Abstract: In the standard model of particle physics (SM) the masses of the elementary particles are generated by the Higgs mechanism predicting the existence of the Higgs boson. Recently the CMS and ATLAS experiments at the CERN LHC reported evidence of a new particle compatible with the SM Higgs boson. The Higgs sector of the SM suffers, however, from the so-called hierarchy problem, for which one possible solution is supersymmetry. Supersymmetric models that extend the SM to contain at least two Higgs doublets, like the minimal supersymmetric standard model (MSSM), predict the existence of a charged Higgs boson. Therefore the search for the charged Higgs boson has an important role for further studies of the Higgs sector of the fundamental theory of the elementary particles.

This thesis describes a search for a light (m(H+) < m(t)) charged Higgs boson, which can be produced in the decay of the top quark, in the CMS experiment. The study considers the fully hadronic final state of top quark pair decay ttbar -> H+W-bbar, where the charged Higgs boson decays as H+ -> tau nu, tau -> hadrons+nu, with the branching fraction B(H+ -> tau nu)=~1, and the associated W boson decays to hadrons. This process is one of the most important ones for the discovery of the light charged Higgs boson. The analysis is also sensitive to the top quark pair decay ttbar -> H+H-bbar. A feature of the fully hadronic final state is that it allows the reconstruction of the transverse mass of the tau-neutrino system. The challenge is, however, the identification of the hadronic tau decays amongst the copious production of hadronic jets in QCD multijet events at the LHC.

Results from the first 2.3/fb of the proton-proton collisions at the centre-of-mass energy of 7 TeV recorded by the CMS detector during the 2011 data gathering are presented. The analysed events were triggered requiring a hadronically decaying tau and missing transverse energy. At offline, the events had to have in addition at least three jets, of which at least one was identified as originating from a bottom quark. The main backgrounds were measured from data.

The existence of a possible signal was statistically investigated with a frequentist method employing the distribution of the transverse mass of the tau-neutrino system. The results were combined with the other final states analysed in CMS. No significant evidence of signal was observed, and an upper limit of 2-3 % was established on the branching fraction B(t -> H+b) at the 95 % confidence level for charged Higgs boson masses between 80 and 160 GeV/c^2, with the assumption that B(H+ -> tau nu)=1. The upper limit was interpreted in the MSSM m(h)max scenario, excluding a significant region of the (tan(beta), m(H+) parameter space.Hiukkasfysiikan standardimallissa alkeishiukkaset saavat massan Higgsin mekanismilla, mikä ennustaa Higgsin bosonin olemassaolon. Hiljattain Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen (CERN) LHC-törmäyttimen CMS- ja ATLAS-kokeet ilmoittivat löytäneensä uuden hiukkasen, jonka ominaisuudet ovat sopusoinnussa standardimallin Higgsin bosonin kanssa. Standardimallin Higgs-osa kärsii kuitenkin niin sanotusta hierarkiaongelmasta, mihin yksi mahdollinen ratkaisu on supersymmetria. Supersymmetriset mallit, joissa standardimalli laajennetaan sisältämään vähintään kaksi Higgs-dublettia, kuten minimaalinen supersymmetrinen standardimalli (MSSM), ennustavat sähköisesti varatun Higgsin bosonin olemassaolon. Tästä syystä varatun Higgsin bosonin etsinnällä on tärkeä rooli Higgsin mekanismin täsmällisen rakenteen selvittämisessä.

Tässä väitöskirjassa esitellään CMS-kokeessa tehty etsintä kevyestä (m(H+) < m(t)) varatusta Higgsin bosonista, joka voi syntyä top-kvarkin hajoamisissa. Tutkimuksessa tarkastellaan top-kvarkkiparin ttbar -> H+W-bbar hajoamisprosessin täysin hadronista lopputilaa, missä varatun Higgsin bosonin hajoamiskanava on H+ -> tau nu, tau -> hadroneihin+nu olettaen hajoamissuhde B(H+ -> tau nu)=~1, ja W-bosoni hajoaa hadroneihin. Tämä prosessi on yksi tärkeimmistä varatun Higgsin bosonin löytämiseksi. Analyysi on herkkä myös top-kvarkkiparin ttbar -> H+H-bbar hajoamiselle. Täysin hadroninen lopputila mahdollistaa tau-neutriino-järjestelmän niin sanotun poikittaisen massan rekonstruoinnin. Haasteena on kuitenkin hadronisten tau-leptonien hajoamisten tunnistaminen hadronisista hiukkasryöpyistä, joita syntyy runsaasti suurenergisissä protoni-protoni-törmäyksissä.

Työssä analysoitiin ensimmäinen 2.3/fb osa 7 TeV massakeskipiste-energian protoni-protoni-törmäyksistä, jotka tallennettiin CMS-ilmaisimella vuoden 2011 tiedonkeruun aikana. Tallennetetut törmäykset liipaistiin vaatimalla hadroninen tau-hajoaminen ja puuttuvaa poikittaista energiaa. Analyysissä törmäysten vaadittiin lisäksi sisältävän vähintään kolme hiukkasryöppyä, joista vähintään yhden piti olla tunnistettu tulevan b-kvarkin hajoamisesta. Merkittävimmät taustaprosessit mitattiin datasta.

Signaalin olemassaolon mahdollisuutta tutkittiin tilastollisesti frekventistisellä menetelmällä käyttäen tau-neutriino-järjestelmän poikittaisen massan jakaumaa. Tulokset yhdistettiin muiden CMS-kokeessa analysoitujen lopputilojen kanssa. Tilastollisesti merkittävää näyttöä signaalista ei havaittu, ja hajoamissuhteelle B(t-> H+b) laskettiin 2-3 % yläraja 95 % luottamustasolla varatun Higgsin bosonin massavälille 80-160 GeV/c^2 olettaen B(H+ -> tau nu)=1. Hajoamissuhteen yläraja tulkittiin MSSM-mallin m(h)max-skenaariossa, sulkien pois merkittävän alueen (tan(beta), m(H+)) parametriavaruudesta.
URI: URN:ISBN:978-952-10-8109-5
http://hdl.handle.net/10138/37667
Date: 2012-12-20
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search Helda


Advanced Search

Browse

My Account