Published July 8, 2021 | Version v1
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Search for additional heavy Higgs bosons decaying to tau lepton pair in the CMS experiment at LHC with machine learning techniques

Description

Despite decades of correct predictions, physicists are convinced that the Standard Model (SM) does not show us the whole picture. Among the various extensions going beyond the SM (BSM), the Minimal Supersymmetric extension of the SM (MSSM) predicts two charged Higgs bosons, H±, and three neutrals: h corresponding to the observed one discovered in 2012 and H and A being additional with respect to the SM. The MSSM phenomenology motivates the focus on events containing a di-τ pair. The MSSM H/A → ττ analysis is thus the core of this thesis. In this thesis, the search for H and A is performed on the data collected with the CMS detector from 2016 to 2018 on proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb-1. Jets are complex physics objects obtained in the proton collisions occurring at the CERN LHC. Their calibration by the study of events containing a photon and a jet (γ+jet) and the corresponding results on 2018 data are introduced. These results are used in the official CMS jet calibration. No significant deviation above the expected background is observed in the MSSM H/A → ττ analysis. Model-independent limits are then set on the product of the cross section and branching fraction for the production via gluon-fusion or in association with b quarks. These limits range from 15 pb at 110 GeV to 3x10-4 pb at 3,2 TeV for gluon-fusion and from 1,2 pb at 110 GeV to 3x10-4 pb at 3,2 TeV for b-associated production. In the M125h scenario, these limits translate into an exclusion region in the (mA, tan β) plane. Values of mA below 600 GeV are excluded and this goes up to 2 TeV for tan β >≅ 50. In the M125H1 (CPV) scenario, the region is given in the (mH±, tan β) plane. Values of mH± below 400 GeV are excluded and this goes up to 1,4 TeV for tan β ≅ 20. To test any theory involving Higgs or Z bosons decaying to τ+τ-, the reconstruction of di-τ mass in a faster and more accurate way than the existing methods is crucial. However, it is an arduous task due to existence of neutrinos as decay product of each τ lepton which are invisible to detectors at LHC. Machine learning techniques bring a solution for this task. The reconstruction of the di-τ mass by a deep neural network (DNN) is achieved in this thesis from 50 GeV to 800 GeV with a 20% resolution at 50 GeV, 26% at 250 GeV and 22% at 800 GeV. This DNN is 60 times faster and better at describing the Z boson than the SVFIT algorithm currently used in CMS. (author)

Abstract (French)

Malgre plusieurs decennies de predictions experimentalement verifiees, le modele standard (SM) souffre de lacunes que des theories allant au-dela (BSM, Beyond SM) tentent de combler. L'une d'entre elles, l'extension supersymetrique minimale du modele standard (MSSM), predit l'existence de cinq bosons de Higgs dont trois neutres. Le plus leger, h, doit correspondre au boson decouvert en 2012. Les deux autres, H et A, sont de haute masse et additionnels par rapport au SM. Leur phenomenologie au LHC motive l'etude des evenements avec une paire de leptons τ. Dans ce contexte, les evenements recoltes par la collaboration CMS de 2016 a 2018 lors des collisions de protons du LHC avec une energie dans le centre de masse de 13 TeV, correspondant a une luminosite integree de 137 fb-1, sont exploites dans cette these. Les jets sont des objets physiques omnipresents lors des collisions au LHC. Leur calibration a l'aide d'evenements contenant un photon et un jet (γ + jet) est presentee ainsi que les resultats obtenus pour l'annee 2018. Cette etude est directement utilisee dans la calibration officielle de la collaboration CMS. Aucun exces significatif correspondant aux bosons H et A par rapport aux bruits de fond attendus n'est observe dans l'analyse des evenements avec une paire de τ. Des limites d'exclusion sur le produit de la section efficace de production de H et A avec leur rapport de branchement aux τ sont donc donnees en fonction de leur masse pour les modes de production par fusion de gluon ou en association avec des quarks b. Ces limites sont comprises entre 15 pb a 110 GeV et 3x10-4 pb a 3,2 TeV pour la fusion de gluons et entre 1,2 pb a 110 GeV et 3x10-4 pb a 3,2 TeV en association avec des quarks b. Dans le scenario M125h, ces limites se traduisent en une region d'exclusion dans le plan (mA, tan β). Les valeurs de mA inferieures a 600 GeV sont exclues. Cette limite passe a 2 TeV pour tan β >≅ 50. Dans le scenario M125H1 (CPV), cette region est donnee dans le plan (mH±, tan β). Les valeurs de mH± inferieures a 400 GeV sont exclues. Lorsque tan β ≅ 20, l'exclusion s'etend jusqu'a mH± ≅ 1,4 TeV. Pour les analyses dans lesquelles une particule se desintegre en τ+τ-, comme celle presentee dans cette these, la reconstruction de la masse d'une paire de τ est cruciale. Les neutrinos issus des desintegrations des τ compliquent cette tache car ils sont invisibles dans le detecteur. Le machine learning apporte une solution. Le modele obtenu dans cette these permet de reconstruire la masse d'une paire de τ de 50 GeV a 800 GeV avec une resolution de 20% a 50 GeV, 26% a 250 GeV et 22% a 800 GeV. Ce modele est 60 fois plus rapide et propose une meilleure description du boson Z que l'algorithme SVFIT actuellement utilise au sein de la collaboration CMS. (auteur)

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Original title (French)
Recherche de bosons de Higgs supplementaires de haute masse se desintegrant en paire de taus dans l'experience CMS au LHC a l'aide du machine learning

Publishing Information

Imprint Pagination
443 p.
Report number
FRNC-TH--12705

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
53042123
Subject category
S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
CALIBRATION; CMS DETECTOR; DATA ANALYSIS; HIGGS BOSONS; ION-ION COLLISIONS; MASS; TEV RANGE 01-10; TEV RANGE 10-100
Descriptors DEC
BOSONS; COLLISIONS; DATA PROCESSING; ELEMENTARY PARTICLES; ENERGY RANGE; ION COLLISIONS; MEASURING INSTRUMENTS; PROCESSING; RADIATION DETECTORS; TEV RANGE

Optional Information

Notes
277 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses