Analysis of the Higgs boson decay in the <em>H → τ_hadτ_had</em> channel and CP properties with √s = 13 TeV collisions at the ATLAS detector

Abstract

In 2012, the last unobserved particle predicted by the Standard Model of particle physics (SM), the Higgs boson, was discovered by the ATLAS and CMS collaborations in a number of its bosonic decay channels. This has been an important step in understanding the nature of electroweak symmetry breaking. Subsequent studies of the Higgs boson spin, parity, and coupling properties are vital in confirming whether the discovered Higgs boson is compatible with the SM Higgs boson. The topics of this dissertation are the analyses of the Higgs decay to a pair of hadronically decaying tau leptons and the Higgs charge-parity (<em>CP</em>) properties in the same decay channel using datasets collected during 2015 and 2016 from proton-proton collisions at the LHC, corresponding to integrated luminosities of 3.21 fb^–1 and 32.9 fb^–1, respectively.<br /> In Higgs physics, the fermionic decay channels are important because they provide direct access to the Higgs boson Yukawa couplings. In the presented analysis of the Higgs decay to tau leptons (<em>H →ττ</em>), the signal extraction is performed by comparing the expected signal and background distributions to the observed di-tau mass distribution in data. An excess of signal events beyond the expected background yield is measured with an observed significance of 1.52σ, corresponding to a signal strength relative to the SM prediction of μ=0.62^+0.25<sub style="position: relative; left: -2.3em;">–0.24</sub><span style="position: relative; left: -1.9em;">(stat)</span> <span style="position: relative; left: -1.9em;">^+0.36<sub style="position: relative; left: -2.3em;"> –0.31</sub></span> <span style="position: relative; left: -3.7em;">(syst)=0.62^+0.44<sub style="position: relative; left: -2.3em;">–0.40</sub></span>.<br /> Subsequent studies of Higgs <em>CP</em> properties are performed in the same decay channel using the <em>H →ττ</em> analysis as the basis. While <em>CP</em> measurements in the bosonic decay channels have excluded deviations from SM Higgs boson <em>CP</em> quantum numbers, the fermionic decay channels provide unique <em>CP</em> information. If there are signs of <em>CP</em> mixing in the fermionic sector, the Higgs boson can possibly explain the matter-antimatter asymmetry in the universe. <br /> The Higgs <em>CP</em> sensitivity is extracted by comparing the expected signal and background distributions to the observed data distribution constructed from experimental observables sensitive to Higgs <em>CP</em> mixing. Studies are performed to validate the signal extraction with toy experiments and to identify the main hindrance of the analysis, which is the limited integrated luminosity. A <em>CP</em> mixing angle of 10° is measured with an uncertainty of 18.3° for the case where the Higgs boson cross section is fixed to the SM prediction and an uncertainty of 27.5° where it is fitted. It is consistent with the SM prediction of φ_t = 0°.

In 2012 wurde das Higgs-Boson, das letzte unentdeckte Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik (SM), von den ATLAS und CMS Kollaborationen am CERN in einiger seiner bosonischen Zerfälle entdeckt. Die Entdeckung ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Natur der elektroschwachen Symmetriebrechung. Nachfolgende Studien der Spinquantenzahl, Parität, und Kupplung des Higgs-Bosons sind zentral um die Kompatibilität zwischen dem entdeckten Higgs-Boson und dem SM Higgs-Boson zu prüfen. Die Themen der Dissertation sind Untersuchungen der Higgsanalyse und der Ladungs-Parität (<em>CP</em>) in Zerfällen in Paare hadronisch zerfallender Tau-Leptonen. Die verwendete Datensätzen werden gesammelt in 2015 und 2016 mit Protonen-Protonen Kollisionen an LHC, wobei einer integrierten Luminosität von 3.21 fb^–1 beziehungsweise 32.9 fb^–1 entsprechen.<br /> In der Physik des Higgs-Bosons sind die fermionischen Zerfallsmodi wichtig weil sie direkten Zugang zu den Yukawa-Kupplungen des Higgs-Bosons bieten. In der präsentierten Untersuchung der Higgszerfall zu Tau-Leptonen wird die Signalextraktion über einen Vergleich der erwarteten Signal- und Untergrundmassenverteilung zu den beobachteten Daten durchgeführt. Ein Überschuss wird mit einer Signalsignifikanz von 1.52σ gemessen, was einer Signalstärke relativ zur Standardmodellerwartung von <em>μ</em> = 0.62^+0.25<sub style="position: relative; left: -2.3em;">–0.24</sub><span style="position: relative; left: -1.9em;">(stat)^+0.36<sub style="position: relative; left: -2.3em;">–0.31</sub></span><span style="position: relative; left: -3.7em;">(syst)=0.62^+0.44<sub style="position: relative; left: -2.3em;">–0.40</sub></span>.<br /> Nachfolgende Studien der <em>CP</em>-Bestandteile werden im selben Zerfallskanal durchgeführt, wobei die Analyse der Higgsanalyse als Grundlage dient. Obwohl <em>CP</em>-Messungen in den bosonischen Zerfallsmodi Abweichungen von der <em>CP</em>-Quantenzahlen des SM Higgs-Bosons ausgeschlossen haben, die fermionischen Zerfallsmodi bieten gesonderte Informationen zu den <em>CP</em> Eigenschaften. Wenn es Zeichen von <em>CP</em>-Mischung in den fermionischen Sektor gibt, könnte das Higgs-Boson ein <em>CP</em>-Verletzungskandidat sein und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum erklären. Die Sensitivität auf die Higgs-<em>CP</em> Eigenschaften wird extrahiert über einen Vergleich der erwarteten Signal- und Untergrundverteilung zu den beobachteten Daten wobei <em>CP</em>-sensitive Observablen genutzt werden. Die Signalextraktion wird mit Toy-Experimenten getestet. Zusätzlich werden Limitierungen der Messung untersucht, von denen die wichtigste die Hauptbehinderug die beschränkte integrierte Luminosität ist. Ein <em>CP</em>-Mischungswinkel von 10° wird gemessen mit einer Unsicherheit von 18.3° wenn der Wirkungsquerschnitt des Higgs-Bosons fest ist und 27.5° wenn der frei ist. Der Messwert ist konsistent mit der Standardmodellserwartung von φ_τ = 0°.