Authors:	Mattmann, Johannes
Title:	Test of spin and parity of the Higgs boson in the H→WW*→e ny my ny decay channel with the ATLAS detector at the LHC
Online publication date:	21-Nov-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	The Higgs boson takes a key position within the Standard Model and its underlying mechanism is crucial in order to explain why elementary particles and especially the heavy vector bosons have masses. Since its prediction in the early 1960s it took nearly 50 years until the existence of the Higgs boson could be proven. It was on 4 th July 2012 that two experiments—ATLAS (“A Toroidal LHC ApparatuS”) and CMS (“Compact Muon Solenoid”)—at the Large Hadron Collider at CERN, the European Organization for Nuclear research, announced a 5σ excess verifying the existence of the Higgs boson. Its mass amounts to about 125 GeV∕c² making the observation compatible with earlier exclusion limits. In January 2012 by the time the work on this thesis started, the confirmation of the Higgs boson existence was anticipated and further steps based on this hypothesis were contemplated. For this reason an analysis of the Higgs boson quantum numbers for spin and CP eigenvalue was initiated. These quantities are crucial to verify the agreement between the later discovered resonance and the Standard Model expectation. For the analysis the decay channel H→WW*→eνμν was chosen, which features a high cross section times branching ratio in the anticipated mass regime. In spite of the two neutrinos in the final state the signature of the final state is clearly selectable and can rely on the precise missing transverse momentum reconstruction of the ATLAS detector. The contributions to the above publications comprise studies and development work for a wide range of aspects of the published analysis such as the definition of sensitive and background-enriched regions in the measured variable space, studies of multivariate techniques to optimise the sensitivity, support of the reweighting studies for the CP-mixing analysis, implementation and impact estimation of systematic uncertainties and further fields. The major focus though was set on Monte Carlo event generator comparison studies and the statistical evaluation to obtain final results taking background processes and systematic uncertainties into account. A unique feature of the thesis is the evaluation of a sophisticated automated “smart” binning of two-dimensional qualifier outputs from the applied multivariate analysis techniques. First exclusion limits for non-Standard-Model spin and CP properties of the Higgs boson could be set already in 2013 and further improved in 2015. The analysis presented in this thesis can exclude all tested spin-2 models at a confidence level of 82.5 to 99.1 %. Two non-Standard-Model CP scenarios (CP-odd and CP-even with higher dimensional couplings to Standard Model particles) can be excluded respectively at 97.1 and 64.5 % confidence level. Combining the results from all bosonic decay channels at ATLAS each tested spin-2 and CP scenario can be excluded at more than 99.9 % confidence level. The newly introduced “smart” binning procedure is shown to be working reliably and takes a stand as a promising tool for future high energy physics analyses. Das Higgs-Boson nimmt innerhalb des Standardmodells eine Schlüsselposition ein. Sein zugrundeliegender Mechanismus ist entscheidend, um zu erklären, weshalb Elementarteilchen und insbesondere die schweren Vektorbosonen über eine Masse verfügen. Seit seiner Vorhersage in den frühen 1960er Jahren dauerte es beinahe 50 Jahre, bis die Existenz des Higgs-Bosons nachgewiesen werden konnte. Am 4. Juli 2012 gaben zwei Experimente am Large Hadron Collider – ATLAS (“A Toroidal LHC ApparatuS”) und CMS (“Compact Muon Solenoid”) – einen 5σ-Überschuss bekannt, der die Existenz des Higgs-Bosons belegte. Dessen Masse beträgt 125 GeV∕c², womit die Beobachtung kompatibel zu früheren Ausschlussgrenzen ist. Als die Arbeit an dieser Dissertation im Januar 2012 begann, wurde der Nachweis der Existenz des Higgs-Bosons bereits vorweggenommen und weitergehende Schritte ausgehend von dieser Hypothese wurden ins Auge gefasst. Vor diesem Hintergrund wurde die Bestimmung der Quantenzahlen von Spin und CP-Eigenwert des Higgs-Bosons begonnen. Beide Eigenschaften sind entscheidend, um die Übereinstimmung der später beobachteten Resonanz mit der Standardmodell-Erwartung zu überprüfen. Um die Analyse durchzuführen, wurde der Zerfallskanal H→WW*→eνμν gewählt, dessen Wirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis im erwarteten Massenbereich hoch ist. Trotz der zwei Neutrinos im Endzustand lässt sich dessen Signatur klar selektieren, wozu insbesondere die genaue Rekonstruktion des fehlenden Transversalimpulses mithilfe des ATLAS-Detektors beiträgt. Im Rahmen der Arbeit wurden Beiträge zu mehreren Publikationen geleistet; dies umfasst Studien und Entwicklungsarbeit für viele Aspekte der publizierten Analysen wie etwa die Definition sensitiver und untergrundreicher Bereiche im Raum der gemessenen Observablen, Untersuchungen multivariater Verfahren zur Optimierung der Sensitivität, die Unterstützung der Umgewichtungsstudien für die CP-Mischungsanalyse, die Berücksichtigung weiterer systematischer Unsicherheiten sowie die Abschätzung ihres Effekts und weitere Felder. Der Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf Vergleichsstudien von Monte-Carlo-Ereignisgeneratoren und der statistischen Auswertung zur Ermittlung der finalen Testergebnisse unter Berücksichtigung von Untergrundprozessen und systematischen Unsicherheiten. Ein Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit ist die Erprobung eines automatisierten “intelligenten” Klassifizierungsalgorithmus für die zweidimensionalen Ausgabewerte der genutzten multivariaten Analyseverfahren. Erste Ausschlussgrenzen für nicht dem Standardmodell entsprechende Werte von Spin und CP-Eigenwert des Higgs-Bosons konnten bereits 2013 bestimmt und 2015 weiter verbessert werden. Die Analyse, die in dieser Arbeit dargestellt wird, kann alle untersuchten Spin-2-Modelle mit einem Konfidenzniveau von 82,5 bis 99,1 % ausschließen. Zwei nicht dem Standardmodell entsprechende CP-Szenarien (CP-ungerade sowie CP-gerade mit höherdimensionalen Kopplungen an Standardmodell-Teilchen) können mit einem Konfidenzniveau von 97,1 bzw. 64,5 % ausgeschlossen werden. Kombiniert man die Ergebnisse aller bosonischen Zerfallskanäle bei ATLAS, so kann jedes untersuchte Spin-2 und CP-Szenario mit einem Konfidenzniveau von mehr als 99,9 % ausgeschlossen werden. Für das neu eingeführte “intelligente” Klassifizierungsverfahren kann die verlässliche Funkionsweise nachgewiesen werden, sodass es als vielversprechendes Werkzeug für zukünftige Analysen in der Hochenergiephysik geeignet erscheint.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4562
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000008083
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	149 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen