Search for the decay of a Heavy Higgs in two lighter Higgs with the CMS Experiment

Author: 
Nils Roth
Date: 
Sep 2014

Thesis Type:

Within the scope of this master thesis, a heavy higgs $H$ is searched for at the CMS experiment. For the production and decay of the $H$ the Minimal Supersymmetric Standard Model is assumed. The analysis focuses on the production via gluon-gluon fusion and decay into two standard model like higgs $h$. One $h$ is expected to decay into a $b\bar{b}$ and the other into a $\tau\bar{\tau}$ pair. The $\tau\bar{\tau}$ pair decays further into an $e$, a $\mu$ and $\nu$'s. The reconstruction of the $H$ is substantial simplified by using the knowledge of the mass of the standard model higgs $m_h=125 ~\mbox{GeV}$. Possible backgrounds are studied via Monte Carlo simulations and reveal $t\bar{t}$ events as the only major background caused by its very similar event signature. A boosted decision tree (BDT) is successfully used as multivariate analysis tool to reduce the $t\bar{t}$ background. In a defined control region the estimated background is compared to the full data of the $\sqrt{s}=8~\mbox{TeV}$ run in 2012 with an integrated luminosity of $L=19.8~\mbox{fb}^{-1}$ and is able to describe the data very well. In the signal region the comparison between estimated background an data shows no uncommon differences, too, therefore a limit on the cross section times branching ratio of the $H$ is calculated. It reaches in a mass range of $m_H=260~\mbox{GeV}-350~\mbox{GeV}$ from $1.5~\mbox{pb}$ to $2.5~\mbox{pb}$. The theoretical cross section used in this analysis is $0.35~\mbox{pb}$ and so the analysis is nearly sensitive to the underlying model.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein schweres Higgs $H$ am CMS Experiment gesucht. Die Produktion und der Zerfall des $H$ wird in dem sogenannten minimalen supersymmetrischen Standardmodell vorhergesagt. Diese Analyse hat ihren Fokus auf der Produktion durch die Gluon-Gluon-Fusion und den Zerfall in zwei Standard Modell Higgs $h$. Eines dieser $h$ soll in ein $b\bar{b}$ Paar und das andere in ein $\tau\bar{\tau}$ Paar zerfallen. Das $\tau\bar{\tau}$ Paar wiederum zerfällt weiter in ein $e$, ein $\mu$ und mehrere $\nu$'s. Die Rekonstruktion des $H$ wird substantiell verbessert durch zuhilfenahme des Wissens um die Masse des Standard Modell Higgs $m_h=125 ~\mbox{GeV}$. Mögliche Untergrundprozesse werden mithilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht und es stellt sich heraus, dass $t\bar{t}$ der einzig relevante Untergrund ist, da es eine sehr ähnliche Ereignissignatur haben kann. Um diesen Untergrund zu reduzieren wird eine Multivariate Analysemethode namens \textit{"Boosted Decision Tree"} erfolgreich eingesetzt. In einer definierten Kontrollregion wird zudem der abgesch"atzte Untergrund mit dem kompletten Datensatz aus 2012 mit einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s}=8~\mbox{TeV}$ und einer integrierten Luminosität von $L=19.8~\mbox{fb}^{-1}$ verglichen. Dieser ist in der Lage die Daten sehr gut zu beschreiben. Der Vergleich zwischen Daten und abgeschätztem Untergrund zeigt auch in der Signalregion keine ungewöhnlichen Unterschiede, daher wird ein Limit auf den Wirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverhältnis des $H$ ausgerechnet. Dieses reicht von $1.5~\mbox{pb}$ bis zu $2.5~\mbox{pb}$. Der in dieser Arbeit verwendete theoretische Wirkungsquerschnitt beträgt $0.35 ~\mbox{pb}$ und somit ist die Analyse nahezu sensitiv auf das zu grunde liegende Modell.

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