Charming decays of the Higgs, Z, and W bosons : Development and deployment of a new calibration method for charm jet identification

Mondal, Spandan; Czakon, Michal; Schmidt, Alexander

doi:42071

Charming decays of the Higgs, Z, and W bosons : Development and deployment of a new calibration method for charm jet identification

Mondal, Spandan^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Spandan Mondal, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schmidt, Alexander (Thesis advisor)^RWTH* ; Czakon, Michal (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-01593
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/949158/files/949158.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird die Suche nach dem Higgs-Boson, dem Z-Boson und dem W-Boson, die in charm-Quark(s) zerfallen, vorgestellt. Diese Suche wurde mit Daten aus Proton-Proton-Kollisionen bei √s = 13 TeV durchgeführt, die vom CMS-Experiment am LHC am CERN gesammelt wurden und einer integrierten Luminosität von 138 fb-1 entsprechen und zwischen 2016 und 2018 aufgezeichnet wurden. Die Suche wird anhand von Ereignissen durchgeführt, bei denen das Higgs/Z/W-Boson in Verbindung mit einem leptonisch zerfallenden Z- oder W-Boson erzeugt wird. In dieser Arbeit wird auch ein neuartiger Kalibrierungsalgorithmus für die Identifizierung von Charm-Jets erörtert, der die maximale Nutzung der verfügbaren Informationen über Charm-Jets ermöglicht. Die neue Methode wird verwendet, um die gesamte Verteilung zu korrigieren, die als Ergebnis erwartet wird, wenn Jet-Flavour-Identifikationsalgorithmen auf Jets verschiedener Flavours angewendet werden. Die kalibrierten Ergebnisse sind besser als herkömmliche Effizienzmessungen und helfen, die Empfindlichkeit der Higgs-, Z- und W-Suche zu erhöhen. In dieser Arbeit wird in erster Linie über die so genannte Resolved-Jet-Topologie der Higgs/Z/W-Bosonensuche berichtet, bei der die Bosonenkandidaten aus zwei separaten Jets mit kleinem Radius (AK4) rekonstruiert werden. Nach statistischer Kombination der Ergebnisse der resolved-jet-Suche mit einem komplementären merged-jet-Ansatz entspricht die beobachtete (erwartete) Obergrenze für den Higgs-Zerfall in charm-Quarks dem 14-fachen (7,6-fachen) der Erwartung des Standardmodells bei 95 % CL und ist damit die bisher stringenteste. Bei der Suche nach charmierten Z-Boson-Zerfällen wird eine Signifikanz von 5,7σ (5,9σ) gegenüber der reinen Hintergrundvorhersage beobachtet (erwartet). Bei der Suche nach charmierten W-Zerfällen wird nur die resolved-jet Topologie verwendet und die beobachtete (erwartete) Signifikanz beträgt 5,6σ (5,7σ) über der reinen Hintergrundvorhersage. Dies sind die ersten Beobachtungen von charmierten Zerfällen der Z- und W-Bosonen an einem Hadron Collider Experiment.

This thesis presents searches for the Higgs boson, Z boson, and W boson decaying into charm quark(s) performed with proton-proton collision data at √s = 13TeV collected by the CMS experiment at the LHC, CERN, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1 and recorded between 2016 and 2018. The searches are carried out using events in which the Higgs/Z/W boson is produced in association with a leptonically-decaying Z or W boson. This thesis also discusses a novel calibration algorithm for charm jet identification that enables maximal use of the available information related to charm jets. The new method is used to correct the entire distribution expected as output when jet flavour identification algorithms are applied to jets of different flavours. The calibrated results improve over traditional efficiency measurements and help enhance the sensitivities of the Higgs, Z, and W searches. This thesis primarily reports on the so-called resolved-jet topology of the Higgs/Z/W boson searches, where the boson candidates are reconstructed using two separate small-radius (AK4) jets. Upon statistically combining the results of the resolved-jet search with a complementary merged-jet approach, the observed (expected) upper limit on the Higgs decay to charm quarks corresponds to 14 (7.6) times the Standard Model expectation at the 95% CL which is the most stringent to date. A significance of 5.7σ (5.9σ) over the background-only prediction is observed (expected) in case of the search for charmed Z boson decays. Only the resolved-jet topology is used in the search for charmed W decays and the observed (expected) significance is 5.6σ (5.7σ) over the background-only prediction. These mark the first observations of charmed decays of the Z and W bosons at a hadron collider experiment.

OpenAccess:
PDF
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