Higgs boson production in the diphoton decay channel with CMS at the LHC : first measurement of the inclusive cross section in 13 TeV pp collisions, and study of the Higgs coupling to electroweak vector bosons

par Martina Machet

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Patrick Jarry.

  • Titre traduit

    Production du boson de Higgs dans le canal de désintégration en 2 photons au LHC dans l'expérience CMS : première mesure de la section efficace inclusive dans des collisions proton-proton à 13 TeV, et étude du couplage de Higgs aux bosons vecteurs


  • Résumé

    Dans ce document deux analyses des propriétés du boson de Higgs se désintégrant en 2 photons dans l'expérience CMS située auprès du LHC (Large Hadron Collider) sont présentées.Le document commence par une introduction théorique sur le Modèle Standard et sur la physique du boson de Higgs, suivie par une description détaillée de l'expérience CMS. En deuxième lieu, les algorithmes de réconstruction et identification des photons sont présentés, avec une attention particulière aux différences entre le premier et le deuxième run du LHC, le premier run (Run1) ayant été pris entre 2010 et 2012 avec une énergie dans le centre de masse de 7 puis 8 TeV, le deuxième (Run2) ayant commencé en 2015 avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Les performances des reconstructions du Run 1 et du Run 2 en ce qui concerne l'identification des photons sont comparées. Ensuite l'algorithme d’identification des photons pour l'analyse H->γγ et optimisé pour le Run2 est présenté. Pour ce faire une méthode d'analyse multivariée est utilisée. Les performances de l'identification des photons à 13 TeV sont enfin étudiées et une validation donnée-simulation est effectuée.Ensuite l'analyse H->γγ avec les premières données du Run2 est présentée. Les données utilisées correspondent à une luminosité intégrée de 12.9 fb⁻¹. Une catégorisation des événements est faite, afin de rendre maximale la signification statistique du signal et d’étudier les différents modes de production du boson de Higgs. La signification statistique observée pour le boson de Higgs du Modèle Standard est 1.7 sigma, pour une signification attendue de 2.7 sigma.Enfin une étude de faisabilité ayant pour but de contraindre les couplages anomaux du boson de Higgs aux bosons de jauges est présentée. Pour cette analyse les données à 8 TeV collectées pendant le Run 1 du LHC, correspondant a' une luminosité intégrée de 19.5/fb sont utilisées. Cette analyse exploite la production du boson de Higgs par fusion de bosons-vecteurs (VBF), avec le Higgs se désintégrant ensuite en 2 photons. Les distributions cinématiques des jets et des photons, qui dépendent de l'hypothèse de spin-parité, sont utilisées pour construire des discriminants capables de séparer les différentes hypothèses de spin-parité. Ces discriminants permettent de définir différentes régions de l'espace des phases enrichies en signal de différentes spin-parité. Les différents nombres d’événements de signal sont extraits dans chaque région par un ajustement de la masse invariante diphoton, permettant de déterminer les contributions respectives des différents signaux et permettant ainsi de contraindre la production de boson de Higgs pseudo-scalaire (spin-parité 0-).


  • Résumé

    In this document two analyses of the properties of the Higgs boson in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the LHC (Large Hadron Collider) are presented.The document starts with a theoretical introduction of the Standard Model and the Higgs boson physics, followed by a detailed description of the CMS detector.Then, photon reconstruction and identification algorithms are presented, with a particular focus on the differences between the first and the second run of the LHC, the first run (Run1) took place from 2010 to 2012 with a centre-of-mass energy of 7 and then 8 TeV, while the second run (Run2) started in 2015 with a centre-of-mass energy of 13 TeV. Performances of Run1 and Run2 reconstructions from the photon identification point of view are compared. Then the photon identification algorithm for the H->γγ analysis optimised for Run2 is presented. To do that a multivariate analysis method is used. Performances of the photon identification at 13 TeV are finally studied and a data-simulation validation is performed.Afterwards, the H->γγ analysis using the first Run2 data is presented. The analysis is performed with a dataset corresponding to an integrated luminosity of 2.7/fb. An event classification is performed to maximize signal significance and to studyspecific Higgs boson production modes. The observed significance for the standard model Higgs boson is 1.7 sigma, while a significance of 2.7 sigma is expected.Finally a feasibility study, having the aim of constraining the anomalous couplings of the Higgs boson to the vector bosons, is presented. This analysis is performed using the data collected at 8 TeV during Run1 at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 19.5/fb. This analysis exploits the production of the Higgs boson through vector boson fusion (VBF), with the Higgs decaying to 2 photons. The kinematic distributions of the dijet and diphoton systems, which depend from the spin-parity hypothesis, are used to build some discriminants able to discriminate between different spin-parity hypotheses. These discriminants allow to define different regions of the phase-space enriched with a certain spin-parity process. The Higgs boson signal yield is extracted in each region from a fit to the diphoton mass, allowing to determine the contributions of the different processes and then constrain the production of a pseudo-scalar (spin-parity 0-) Higgs boson.


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