Exploring the Higgs sector beyond the standard model with the top Yukawa coupling: a phenomenological and experimental search

Prado, Leônidas Augusto Fernandes do [UNESP]

Exploring the Higgs sector beyond the standard model with the top Yukawa coupling: a phenomenological and experimental search

Arquivos

prado_laf_dr_ift.pdf (22.66 MB)

Data

2020-07-09

Autores

Prado, Leônidas Augusto Fernandes do

Orientador

Matheus, Ricardo D'Elia

Savoy-Navarro, Aurore

Pós-graduação

Física - IFT

Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Tipo

Tese de doutorado

Direito de acesso

Acesso aberto

Resumo

Resumo (português)

A produção de ttH no LHC permite medir diretamente o acoplamento de Yukawa do quark top, previsto pelo Modelo Padrão (MP) como √2m_t/v ~1. Esta tese mostra como nova física pode fornecer diferentes valores para esse acoplamento para quatro modelos teóricos específicos, dentre diversas possíveis extensões do MP, e usa medidas experimentais para colocar limites no espaço de parâmetro dos modelos. Os primeiros dois são extensões simples do MP e contêm somente férmions vector-like, que compartilham os mesmos números quânticos do setor de quarks top-bottom, levando a misturas entre esses estados. Esses modelos prevêem uma diminuição na seção de choque de ttH e estão atualmente muito limitados por medidas experimentais. Os últimos dois modelos são realizações mínimas de modelos de Higgs composto, baseados na quebra de simetria de SO(5) para SO(4). No setor do top, duas possibilidades são exploradas: ressonâncias fermiônicas na representação fundamental 5 de SO(5) e a representação simétrica 14 de SO(5). Os efeitos desses modelos no processo de produção de ttH e ttHH são apresentados para energia de 14 TeV da fase High Luminosity do LHC, e para futuros colisores de hadrons de alta energia. O trabalho fenomenológico, feito na primeira parte desta tese, mostrou o interesse em se estudar o processo de produção de ttHH além da produção de ttH estudada até o momento. A segunda parte desta tese apresenta resultados da busca experimental da produção de ttHH usando dados de colisões próton-próton correspondendo a uma luminosidade integrada de 41.5/fb gravado pelo experimento CMS para uma energia de centro de massa de 13 TeV no ano de 2017. Essa foi a primeira vez que essa busca foi feita com dados reais. Os candidatos a eventos de ttHH são selecionados baseando-se no critério de realçar ambos os canais de decaimento de léptons mais jatos do sistema tt, e o canal de decaimento do par de bósons de Higgs em dois pares de quark bottom-anti-bottom. Para aumentar a sensibilidade da busca, eventos selecionados são separados em diferentes categorias, em que são esperadas diferentes taxas de eventos de sinal e fundos. Um ajuste combidado, de templates de análise discriminante multivariada, aos dados, através de todas as diferentes categorias é feito para extrair os resultados. O valor obtido para a intensidade do sinal de ttHH, relativo à seção de choque do MP, μ=σ/σ_SM, para essa assinatura específica, é: 4.9-12.8+14.4, obtida após o ajuste aos dados coletados pelo CMS. A estrutura detalhada da análise desenvolvida aqui servirá para uma futura análise com dados coletados durante todo o período (Run 2) do LHC, referente aos anos de 2016 a 2018, correspondendo a uma luminosidade total integrada de 140/fb, a 13 TeV no LHC. Esse valor é cerca de 3 vezes maior que a luminosidade usada na presente análise e corresponde ao maior volume de dados coletados até o momento no LHC. Isso pode permitir a extração preliminar de um sinal de ttHH. Esse trabalho continuará com dados a serem coletados em Runs futuras do LHC (Run 3) e no High Luminosity LHC (HL-LHC).

Resumo (inglês)

The ttH production at the LHC allows the direct measurement of the top-Higgs Yukawa coupling, predicted by the Standard Model (SM) to be √2m_t/v ~1. This thesis shows how new physics can provide different values of this coupling in four specific theoretical models within extensions of the SM and uses experimental measurements to constrain the parameter space of such models. The first two are simple extensions of the SM containing only vector-like fermions that share the same quantum numbers of the top-bottom quark sector, leading to mixing between these states. These models predict a decrease in the ttH cross sections and are currently very constrained by experimental measurements. The last two models are minimal realizations of composite Higgs models, based on the symmetry breaking pattern SO(5) to SO(4). In the top sector, two possibilities are considered: fermion resonances in the fundamental 5 representation of SO(5) and in the symmetric 14 representation. The effects of these models on the ttH and ttHH production processes are presented for the 14 TeV High Luminosity phase of the LHC, and future high energy hadron colliders. The phenomenological work carried out in the first part of this thesis work led to pointing the interest of the ttHH production process in addition to the ttH production studied so far. The second part of this thesis also presents results of the experimental search for the production of ttHH using proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 41.5/fb recorded with the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV in the year 2017. This is the first time this search is performed with real data. The candidate ttHH events are selected with criteria enhancing the lepton plus jets decay channels of the tt system and the decay of the double Higgs bosons into two bottom quark-antiquark pairs. In order to increase the sensitivity of the search, selected events are split into several categories with different expected signal and background rates. A combined fit of multivariate discriminant templates across all categories to data is performed to extract the result. The achieved value of the ttHH signal strength relative to the standard model cross section, μ=σ/σ_SM, for this specific signature is: 4.9-12.8+14.4, after a fit to CMS data. The detailed analysis framework developed will serve for the analysis with the data running period (Run 2) from 2016 to 2018 with a total integrated luminosity of about 140/fb at 13 TeV at LHC. This is about 3 times more luminosity than what is used in this analysis. It corresponds to the largest amount of data collected so far at LHC. This could allow extracting a preliminary ttHH signal. This work will be carried on with data also to be collected in future Runs of the LHC (Run 3) and at the High Luminosity LHC (HL-LHC).