Tau lepton reconstruction and search for Higgs bosons decaying to tau pairs in the CMS experiment at the LHC

par Ivo Nicolas Naranjo Fong

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pascal Paganini.

Soutenue en 2014

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Reconstruction des leptons tau et recherche de bosons de Higgs se désintégrant en paire de leptons tau dans l'expérience CMS auprès du LHC


  • Résumé

    Cette thèse présente une recherche du boson de Higgs du Modèle Standard (MS) et de son extension supersymétrique minimale (MSSM) dans la voie de désintégration en paires de leptons tau avec l'expérience CMS pendant les premières années d'exploitation du LHC. Après une introduction du contexte théorique pertinent pour la recherche du boson de Higgs du MS et du MSSM, les aspects phénoménologiques sont exposés. La découverte en 2012 d'un boson scalaire par les collaborations ATLAS et CMS est ensuite présentée. La description du détecteur CMS est abordée et la reconstruction des objets nécessaires a l'analyse est décrite. Une attention particulière est portée à la reconstruction des leptons tau avec notamment un algorithme d'isolation original incluant des informations sur le temps de vie. Nous avons optimisé cet outil en termes d'efficacité d'identification et de réjection de bruit de fond. Une nouvelle technique visant à supprimer des électrons reconstruits a tord comme des taus est également présentée: le développement d'un discriminateur anti-électron, basé sur une analyse multivariée réduit considérablement cette contamination tout en préservant l'efficacité d'identification. La recherche du boson de Higgs du MS et MSSM dans ses désintégrations en paires de taus est exposée. Les données utilisées correspondent à une luminosité intégrée de 4. 9 fb-1 avec une énergie dans le centre de masse sqrt{s}=7 TeV et 19. 7 fb-1 avec sqrt{s}=8 TeV collectées par CMS en 2011 et 2012 respectivement. Une attention particulière est portée aux canaux de désintégration semi-leptoniques: $$H\to\tau\tau\to l\tau_{h}$$ où $$l$$ représente un électron ou un muon et $$\tau_{h}$$ une désintégration hadronique de tau. La combinaison de tous les canaux de désintégration du Higgs du MS en paire de taus avec en particulier l'utilisation du nouveau discriminateur anti-électron conduit à un excès d'événements par rapport aux bruits de fond attendus. L'interprétation statistique correspond à 3. 2 déviations standard pour une masse de 125 GeV et la force du signal est compatible avec le boson de Higgs du Modèle Standard. Ce résultat constitue une indication directe du couplage du boson de Higgs aux leptons. Finalement, une stratégie originale de recherche de bosons de Higgs du MSSM est présentée. Elle combine d'une part la nouvelle technique d'isolation de tau et d'autre part une définition optimisée des catégories d'analyse fondées sur l'impulsion transverse des taus. La sensibilité de l'analyse est ainsi augmentée de plus de 30 % par rapport au dernier résultat public de CMS (2013) ce qui est équivalent à un accroissement de 3 à 4 fois la luminosité totale intégrée. Aucun excès d'événements n'est observé par rapport aux bruits de fonds prédits par le MS suite à l'interprétation modèle indépendante des limites supérieures sur la section efficace fois le rapport d'embranchement pour chacun des modes de production.


  • Résumé

    This thesis presents a search for Higgs bosons decaying into tau pairs in the context of the Standard Model (SM) and its minimal supersymmetric extension (MSSM) with the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, using the data collected during the first years of operation at the LHC. After introducing the theoretical context relevant for the SM and MSSM Higgs bosons searches, the corresponding phenomenological aspects are discussed. The discovery of a scalar boson by the ATLAS and CMS Collaborations in 2012 is then presented. The design and performance of the CMS experiment are described as well as the identification and measurements of physical objects needed for the analysis. The accent is put on the tau lepton reconstruction including in particular a novel tau isolation that uses the lifetime information. We optimized this tool in terms of tau identification efficiency and fake tau rejection, particularly suited for boosted taus. A new technique for rejecting the electrons faking taus is also presented: a discriminator based on a multivariate analysis which considerably reduces the contamination from electrons faking taus while preserving the efficiency of identification is exposed. The SM and MSSM Higgs boson searches in the di-tau final state are presented. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 4. 9 fb-1 at sqrt{s}=7 TeV and 19. 7 fb-1 at sqrt{s}=8 TeV recorded by CMS respectively in 2011 and 2012. The focus is put on the most sensitive semi-leptonic decay channels: $$H\to\tau\tau\to l\tau_{h}$$ where $$l$$ is either an electron or muon and $$\tau_{h}$$ stands for hadronic tau decays. After combining all the decay channels in SM Higgs boson to di-tau search and in particular using the new anti-electron discriminator, an excess of observed events with respect to the background-only hypothesis is found. The statistical significance of this excess corresponds to 3. 2 standard deviations at a mass of 125 GeV. The measured signal strength is compatible with the SM Higgs signal expectation. This result constitutes an evidence for a coupling between the scalar boson and leptons. Finally, a new strategy in the search for the MSSM Higgs bosons is presented in this thesis. It combines both the novel tau isolation technique and a new refined categorization based on the $$\tau_{h}$$ transverse momentum. With respect to the previous CMS public result (2013), the sensitivity of the analysis presented in this document is improved by more than 30%. This is equivalent to an increase of the total integrated luminosity by a factor 3 to 4. The interpretation of the model independent upper limits on the cross-section times branching ratio of the production process shows no significant excess over the Standard Model backgrounds.

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  • Détails : 1 vol. (308 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 216 réf.

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