Background estimation, search for heavy resonances and off-shell Higgs boson signal strength measurement in the 4 lepton final state with the ATLAS detector

Abstract

The discovery of Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS experiments marked a key milestone in the history of particle physics. It confirmed a long-standing prediction of the Standard Model (SM), the theory that describes our present understanding of elementary particles and their interactions. The Higgs boson was the last particle of the SM which was observed. After its observation the research in the ATLAS experiment focused on the measurement of its properties and also on the effort to observe particles beyond the SM. During Run II (2015-2018) it collected data corresponding to about 140 /fb, having a key role in these studies. Firstly a study for electron identification in the forward region is described. The new ITk will extend pseudorapidity coverage up to |η| = 4. An identification method for the electrons in the region 2.5 < |η| < 4.0 was developed. It uses track-cluster matching criteria and a Artificial Neural Network to separate the true electrons from the fakes, which come either from pile-up or jets. Lastly the potential of improving identification by using an Isolation variable is studied. Next the event selection and the background estimation in the 4-lepton channel are described. The description focuses on the Data Driven Estimation of the llμμ reducible background. The estimation is performed in 4 Control Regions (CRs). Each of them is enriched in a specific background component. The 4 CRs are linked via a fifth region, called Relaxed Region (RR). A simultaneous likelihood fit is performed in the 4 CRs and the results are extrapolated to the RR via Fractions. The results from the RR are subsequently extrapolated to the Signal Region via Transfer Factors (TFs). The TFs are estimated and controlled using a sample containing Z+μ events. Using the above selection and estimation several physics studies are performed. The search for a high mass ZZ resonance is one of them. In this analysis a cut based selection is used to categorize the events. The signal and the ZZ backgrounds are modeled with analytic functions, while the reducible background is data Driven estimated. The methodology of the Likelihood fit and the extraction of CLs limits is described in detail. Lastly the final limits are presented. At last the measurement of the Higgs boson decay width is described. In order to achieve this measurement, a measurement of the Higgs boson off-shell cross section is required. For this study the MC samples are corrected with the latest k-factors. Αfterward ιn additional to the nominal event selection a Matrix Element based discriminant is used to suppress the ZZ background. The reducible background is estimated in a Data Driven way. Finally the results are combined with these of the llνν channel to set limits on the decay width.

Το 2012 η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τα δύο μεγάλα πειράματα στο CERN, ATLAS και CMS, επιβεβαίωσε το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ), την θεωρία η οποία περγράφει τα στοιχειώδη σωμάτια και τις αλληλεπιδράσεις τους. Καθώς με το μποζόνιο Higgs ολοκληρώθηκε η αναζήτηση των σωματιδίων τα οποία προβλέπονται από το ΚΠ, η έρευνα εστιάζεται πλέον στην μελέτη των ιδιοτήτων του, καθώς και στην αναζήτηση σωματιδίων τα οποία προβλέπονται από θεωρίες πέραν του ΚΠ. Κατά την 2η περίοδο λειτουργίας του LHC, τα έτη 2015-2018, σε ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV, το πείραμα ATLAS συvέλλεξε δεδομένα τα οποία αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα περίπου 140 /fb συμβάλλοντας σε αυτές τις μέλετες. Η ικανότητα του πειράματος να συλλέγει δεδομένα θα βελτιωθεί μέσω μιας σειράς αναβαθμίσεων. Στην 2η φάση αναβάθμισης θα αντικατασταθεί ο εσωτερικός ανιχνευτής τροχιών από τον new Inner Tracker (ITk). Ο ΙΤk θα καλλύπτει περιοχή ψευδοωκύτητας μέχρι 4, δίνοντας για πρώτη φορά την δυνατότητα ανακατασκευής τροχιών για ψευδοωκύτητα μεγαλύτερη από 2.5. Σε αυτή την περιοχή (2.5-4.0) η πληροφορία για τις τροχιές των σωματιδίων αναμένεται να συμβάλλει καθοριστικά στην δυνατότητα του ηλεκτρομαγνητικού καλοριμέτρου να αναγνωρίζει ηλεκτρόνια. Στην συγκεκριμένη μελέτη, η οποία εξετάζει αυτή την δυνατότητα, αρχικά μελετάται η γωνιακή απόσταση των clusters που δημιουργούνται στο καλορίμετρο και των τροχιών στον ΙTk. Έπειτα εκπαιδεύται ένα Νευρωνικό Δίκτυο (ΝΔ) με τις μεταβλητές που περιγράφουν το σχήμα των clusters. Συνδυάζοντας την διακρίνουσα του ΝΔ με κριτήρια γωνιακής απόστασης cluster-τροχίας ορίζονται τα 3 working points των ηλεκτρονίων με απόδοση 90%, 80% και 70%. Τέλος εξετάζεται και η προοπτική συμβολής στην αναγνώριση κάποιων επιπλέον μεταβλητών. Στην τελική κατάσταση 4 λεπτονίων το μειώσιμο υπόβαθρο απορρίπτεται σε μέγαλο βαθμό μέσω των κριτηρίων επιλογής γεγονότων. Η εκτίμησή του όμως γίνεται από τα πραγματικά δεδομένα, για να αποφευχθούν οι όποιες αβεβαιότητες. Για την εκτίμηση στην llμμ τελική κατάσταση χρησιμοποίουνται 4 περιοχές ελέγχου. Αυτές κατασκευάζονται αντιστρέφοντας κάποια από τα κριτήρια επιλογής, έτσι ώστε να είναι εμπλουτισμένες στις διάφορες διαδικασίες υποβάθρου. Η αναλλοίωτη μάζα του πρωτεύοντος ζεύγους λεπτονίων χρησιμοποιείται για να κατασκευαστεί ένα μοντέλο, το οποίο προσαρμόζεται στα πραγματικά δεδομένα, στις 4 περιοχές ελέγχου, ταυτόχρονα. Οι περιοχές επικοινωνούν μέσω μια 5ης περιοχής. Τα αποτελέσματα εκφράζονται αρχικά σε αυτήν την 5η περιοχή και έπειτα μεταφέρονται στην περιοχή όπου όλα τα κριτήρια εφαρμόζονται κανονικά μέσω κάποιων παραγόντων μεταφοράς. Αυτοί οι παράγοντες ελέγχονται επίσης από τα πραγματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο σύνολο γεγονότων. Στην ανάζητηση βαρέων συντονισμών η μέλετη επικεντρώνεται στην διαδικασία της προσαρμογής στα πραγματικά δεδομένα. Η προσαρμογή πραγματοποιείται με μια συνάρτηση μέγιστης πιθανοφάνειας. Από αυτήν προκύπτει μία test statistic μεταβλητή, η οποία δείχνει την συμφωνία των δεδομένων με κάποια θεωρητική υπόθεση. Μέσω αυτής της μεταβλητής ορίζονται τα ανώτερα όρια στην παράγωγη κάποιου νέου σωματιδίου με την μέθοδο CLs. Τέλος παρουσιάζονται τα όρια για την παραγωγή ενός Higgs-like συντονισμού. Στην τελευταία μελέτη γίνεται προσπάθεια μέτρησης του πλάτους διάσπασης του μποζονίου Higgs. Για να πραγματοποιηθεί αυτή η μέτρηση απαιτείται μέτρηση της ενεργού διατομής off-shell παραγωγής του μποζονίου. Για να αυξηθεί η ευαισθησία του πειράματος, εκτός από την βασική επιλογή γεγονότων, χρησιμοποιείται και η μέθοδος του στοιχείου πίνακα. Με την διακρίνουσα που πάραγεται από αυτήν την μέθοδο γίνεται η τελική προσαρμογή στα πραγματικά δεδομένα και εν τέλει εκτιμάται ένα ανώτερο όριο στο πλάτος διάσπασης.