Vector Boson Fusion trigger and study of events featuring di-tau pairs and b jets in the CMS experiment

par Chiara Amendola

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Florian Beaudette.

Le président du jury était Pascal Paganini.

Le jury était composé de Florian Beaudette, Isabelle Wingerter Seez, Marco Delmastro, Chiara Rovelli, Somnath Choudhury, Alex Tapper.

Les rapporteurs étaient Isabelle Wingerter Seez, Marco Delmastro.

  • Titre traduit

    Déclenchement pour la production par fusion de bosons vecteurs et recherche de production de paires de bosons de Higgs se désintégrant en bbττ dans CMS auprès du LHC


  • Résumé

    Cette thèse présente une recherche d'événements avec paires de bosons de Higgs (HH) en collisions proton-proton à 13 TeV, fournies par le Large Hadron Collider, au sein de l'expérience CMS (Compact Muon Solenoid) du CERN (Genève). L'étude de la production de paires de bosons de Higgs permet la mesure de la constante d’auto-couplage trilinéaire. En plus, la production HH par fusion de bosons vecteurs (Vector Boson Fusion ou VBF) donne accès à la mesure de la constante de couplage entre deux bosons de Higgs et deux bosons vecteurs. La valeur de ces deux paramètres est particulièrement sensible à l'existence de physique au-delà du Modèle Standard : même des faibles variations par rapport aux valeurs des couplages prévus par la théorie peuvent induire un changement important de la section efficace. Cette thèse cible le cas où un des bosons de Higgs se désintègre dans deux leptons tau et l'autre dans deux jets de particules engendrés par des quarks de type beau : cet état final permet de conjuguer une statistique importante garantie par la désintégration en quarks et la pureté de la désintégration en leptons tau.Cependant, la production de HH au LHC est un processus très rare. La production par le mécanisme principal, de fusion de gluon, a une section efficace d'environ 30 fb, suivi par le processus de VBF, lequel est environ 10 fois moins probable. Ainsi, optimiser l'efficacité de la sélection du signal est essentiel. Par conséquent, la première partie du travail de thèse a été dédiée à l'étude d'algorithmes pour le premier niveau du système de déclenchement de CMS, en implémentant des sélections similaires à celles qui sont appliquées au niveau de l'analyse finale, et un algorithme dédié au processus VBF a été mis au point en ciblant des possibles améliorations pour la recherche d'événements HHbbtt. Sa topologie, caractérisée par la présence de deux jets reconstruits dans des régions opposées du détecteur, est un levier puissant pour le distinguer des autres processus. L’algorithme sélectionne les événements en exploitant les propriétés cinématiques des jets, indépendamment des caractéristiques de la désintégration du boson de Higgs : d'ailleurs, utilisé en complément des algorithmes classiques, ciblant les produits de désintégration du boson de Higgs, l’algorithme VBF permet d’étendre la couverture de l'espace des phases de manière significative. Il s’agit du premier algorithme VBF pour le système de déclanchement et il a été inclus dans la prise de données à partir de l'été 2017. D'ailleurs, les données ainsi sélectionnées sont accessibles pour les recherches du boson de Higgs en cours.La suite du travail de thèse a été consacrée à l'analyse d'événements HH->bbtautau avec les données collectées en 2017. L'extraction du signal depuis les données requiert une bonne connaissance des bruits de fond, dont les principaux sont la production de ttbar qui est irréductible dans la mesure où il produit une paire de quark b et une paire de leptons taus ; le bruit de fond d'événements multi-jet génériques, où les jets peuvent être identifiés à tort comme leptons taus ; et le bruit de fond de Z->tautau où des jets additionnels peuvent être identifiés comme des jets de b. Ce dernier bruit de fond a été étudié en détail pour en améliorer la modélisation. En plus de l'étude inclusive des événements de type HH->bbtautau, une catégorie d’événements dédiée à la production par VBF a été incluse, conçue à partir de l'espace des phases couvert par l’algorithme VBF du système de déclanchement et de la topologie typique du processus, en utilisant aussi des techniques d’apprentissage automatique. L'introduction de telle catégorie est la première mesure dédiée à ce mécanisme de production dans le cadre des analyses de HH->bbtautau. Ces améliorations et les interprétations additionnelles sont très importantes pour la collaboration CMS et ils seront inclus dans la publication relative aux données collectées pendant le Run 2.


  • Résumé

    This thesis describes a search for events with a pair of Higgs bosons (HH) in proton-proton collisions at 13 TeV, provided by the Large Hadron Collider, with the CMS (Compact Muon Solenoid) experiment at CERN (Geneva).The study of the Higgs boson pair production allows its trilinear self-coupling to be measured. Moreover, the HH production through Vector Boson Fusion (VBF) gives access to the measurement of the coupling between two Higgs bosons and two vector bosons. The values of these parameters are particularly sensitive to the existence of physics beyond the Standard Model: even small variations from the values of the couplings predicted by the theory can lead to a large modification of the cross section. This thesis is focused on the scenario where one of the Higgs bosons decays in two tau leptons and the other in two jets of particles generated by b-quarks: the study of this final state benefits from the high statistics of the decay in quarks and from the purity of the decay in tau leptons.However, the HH production at the LHC is a very rare process. The production through the main mechanism, by gluon fusion, has a cross section of about 30 fb, followed by the VBF process, which is about 10 times less likely. Therefore, the optimisation of the signal selection is essential. Hence, the first part of the thesis work was devoted to the study of algorithms for the Level-1 (L1) trigger system of CMS, implementing selections similar to those applied at the final analysis stage, and a dedicated algorithm for the VBF process was optimised, targeting possible improvements for the search for HH->bbtautau events. The VBF topology, characterised by two jets reconstructed in opposite regions of the detector, is a powerful handle to discriminate it from other processes. The algorithm selects the events exploiting the kinematic features of the jets, independently of the properties of the decay of the Higgs boson: used as a complement of the classic algorithms that target the decay products of the Higgs boson, the VBF algorithm allows the coverage of the phase-space to be significantly expanded. This is the first VBF algorithm for the L1 trigger system and it was included for the data-taking starting from summer 2017. Hence, the events thus selected are available for the ongoing Higgs boson searches.The rest of the thesis work was dedicated to the analysis of events HHbbtt with the data collected in 2017. The signal extraction from data requires a good knowledge of the background processes. Among them, the most important are the ttbar production, which is irreducible if its final state has a pair of tau leptons in addition to the two b quarks; the generic QCD multi-jet background, since the jets can be misidentified as tau leptons; and the Z->tautau background, where additional jets can be identified as b-jets. The latter was studied in detail to improve its modelling. In addition to the inclusive study of the HH->bbtautau events, an event category for the VBF production was included, designed starting from the phase-space covered by the L1 trigger VBF algorithm and from the typical topology of the process, also using machine learning techniques. The introduction of the VBF category gives the first dedicated measurement for this production mechanism in the context of the HH->bbtautau analyses. These improvements and the additional interpretations are important for the CMS collaboration and they will be included in the publication corresponding to the data collected during the Run 2.


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