Kinematic tau reconstruction and search for the Higgs boson in hadronic tau pair decays with the CMS experiment

Perchalla, Lars; Stahl, Achim

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-36699

Kinematic tau reconstruction and search for the Higgs boson in hadronic tau pair decays with the CMS experiment = Kinematische Rekonstruktion von Tau-Leptonen und Suche nach dem Higgs-Boson in hadronischen Tau-Paarzerfällen mit dem CMS-Experiment

Perchalla, Lars (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lars Perchalla

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVII, 123 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stahl, Achim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36699
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64394/files/3669.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Higgs-Teilchen (Genormte SW) ; Tauon (Genormte SW) ; CMS-Detektor (Genormte SW) ; LHC (Genormte SW) ; CERN (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Vertex (frei) ; Higgs (frei) ; tau (frei) ; CMS (frei) ; kinematic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation behandelt die Suche nach dem Higgs-Boson, welches im Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird. Hierzu werden im Rahmen einer Monte Carlo-Simulation die Nachweismöglichkeiten des Zerfalls in Taupaare mit dem CMS-Experiment untersucht. Zwei separate Selektionen für die beiden dominanten Produktionskanäle, die Gluon- und die Vektorboson-Fusion, werden für leichte Higgs-Bosonen entwickelt. Beide Selektionen berücksichtigen ausschließlich Tauzerfälle, in denen drei geladene Pionen entstehen. Effiziente Algorithmen werden entwickelt, um diese Zerfallsprodukte in den Hadron-Kollisionen am LHC zu identifizieren. Mit Hilfe einer kinematischen Rekonstruktion, die die spezielle Topologie des Tauzerfalls berücksichtigt, lässt sich der vollständige Impuls des Tau-Leptons inklusive des Neutrinos berechnen. Die rekonstruierten Observabeln werden Qualitätskriterien unterzogen, die für einen umfassenden Energiebereich der Tau-Leptonen gültig sind. Dies ermöglicht eine effiziente Unterdrückung von Quark- und Gluon-Jets, die Tauzerfälle imitieren. Aus Paaren von Tau-Leptonen, die diese Anforderungen erfüllen, lassen sich Higgs-Bosonen rekonstruieren. Die unterschiedlichen kinematischen Eigenschaften der behandelten Produktionskanäle werden zur weiteren Abtrennung des Signals von Untergründen herangezogen. Die Massenverteilung des Z-Bosons weist weite Ausläufer bis in den Massenbereich des untersuchten Signals auf. Diese lassen sich im Falle der Gluon-Fusion nicht von Higgs-Bosonen unterscheiden. Bei der Erzeugung durch Vektorboson-Fusion entstehen zusätzliche Quark-Jets, die zusammen mit dem deutlichen Transversalimpuls des Higgs-Bosons eine klare Signatur zur Abtrennung aller Untergründe liefern. Für die untersuchten Produktionsprozesse wird die Signifikanz der Selektionen diskutiert, die mit einer integrierten Luminosität von 30 inversen Femtobarn erreicht werden kann.

The thesis prepares a search for the Standard Model Higgs boson in the di-tau channel with the CMS experiment. Based on Monte Carlo simulations, two selections are developed for light Higgs bosons produced by the dominant processes, gluon fusion and vector-boson fusion. Both selections exclusively consider the hadronic tau decay into three charged pions. They rely on an efficient algorithm to identify the tau decay products within the hadronic environment at the LHC. A kinematic fit exploits the topology of the particular decay mode and enables the reconstruction of the entire tau momentum including the neutrino. A set of quality criteria is defined on the obtained observables, which is valid for a broad range of tau energies. This provides an efficient suppression of quark and gluon jets that fake tau decays. The Higgs boson is reconstructed from pairs of tau leptons that pass the quality requirements. The selections derive further background suppression from the event kinematics. In case of the gluon fusion, the selected sample is dominated by off-shell Z bosons that decay into tau pairs. The vector-boson fusion involves two additional quark jets. Their signature and the significant transversal momentum of the Higgs boson allow for a background-free selection. The significance of both selections is discussed for an integrated luminosity of 30 inverse femtobarn.

Volltext:
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