Artur Kalinowski WYBRANE ASPEKTY POSZUKIWA BOZONU HIGGSA Z MODELU STANDARDOWEGO W ZDERZENIACH PROTON PROTON W EKSPERYMENCIE CMS PRZY LHC

Artur Kalinowski WYBRANE ASPEKTY POSZUKIWA BOZONU HIGGSA Z MODELU STANDARDOWEGO W ZDERZENIACH PROTON PROTON W EKSPERYMENCIE CMS PRZY LHC

WYBRANE ASPEKTY POSZUKIWA BOZONU HIGGSA Z MODELU STANDARDOWEGO W ZDERZENIACH PROTON PROTON W EKSPERYMENCIE CMS PRZY LHC

Artur Kalinowski Wydzia Fizyki, Uniwersytet Warszawski WYBRANE ASPEKTY POSZUKIWA BOZONU HIGGSA Z MODELU STANDARDOWEGO W ZDERZENIACH PROTON PROTON W EKSPERYMENCIE CMS PRZY LHC ROZPRAWA HABILITACYJNA Warszawa 2014

Redaktor prowadzący Małgorzata Yamazaki Redakcja i korekta Małgorzata Kopczyńska Projekt okładki Wojciech Markiewicz Ilustracja na okładce Wizualizacja zderzenia proton proton zidentyfikowanego jako kandydat H γγ. Copyright: CERN/CMS ISBN 978-83-235-1708-5 ISBN 978-83-235-1716-0 PDF c Copyright by Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2014 Publikacja dofinansowana przez Wydział Fizyki UW Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego 00-497 Warszawa, ul. Nowy Świat 4 www.wuw.pl; e-mail: wuw@uw.edu.pl Dział Handlowy WUW: tel. (48 22) 55-31-333; e-mail: dz.handlowy@uw.edu.pl Księgarnia internetowa: www.wuw.pl/ksiegarnia Wydanie 1 Skład i łamanie Fixpoint

Abstract The monograph presents main aspects of searches for the Higgs boson predicted by the Brout Englert Higgs mechanism of a spontaneous symmetry breaking. First three chapters shortly describe the Brout Englert Higgs mechanism, the CMS detector, and statistical methods used in the searches for the Higgs boson. Chapters from fourth to eighth outline strategy and results of searches in individual decay channels. Chapter ninth presents summary of searches with best fit values of Higgs boson mass and strength parameter obtained from combination of results from all decay channels. The results presented in this monograph are based on the data collected during the so called LHC Run I period from 2011 to 2012.

Streszczenie Monografia opisuje główne aspekty poszukiwań bozonu Higgsa pojawiającego się w Modelu Standardowym w wyniku mechanizmu spontanicznego łamania symetrii, nazywanego mechanizmem Brouta Englerta Higgsa. Początkowe rozdziały opisują krótko sam mechanizm spontanicznego łamania symetrii elektrosłabej, detektor CMS oraz metody statystyczne użyte przy analizie danych. Rozdziały od czwartego do ósmego przedstawiają zarysy i wyniki analiz poświęconych poszukiwaniom bozonu Higgsa w poszczególnych kanałach rozpadu. W rozdziale dziewiątym podsumowano wyniki poszukiwań wraz z najlepszymi dopasowaniami masy i parametrów wzmocnienia uwzględniającymi wyniki ze wszystkich kanałów poszukiwań. Rezultaty zaprezentowane w niniejszym opracowaniu są oparte na danych zebranych w czasie pierwszego etapu działania LHC w latach 2011 2012.

Wkład własny Autora W trakcie swojej pracy badawczej Autor brał aktywny udział w pracach związanych z poszukiwaniami bozonu Higgsa prowadzonymi przez eksperymenty ATLAS i CMS. W latach 2005 2006, w trakcie studiów doktoranckich, Autor pracował nad algorytmem wyzwalania dla eksperymentu CMS opartym na identyfikacji leptonów τ [1]. W tym czasie Autor był odpowiedzialny za implementację algorytmu wyzwalania wysokiego poziomu, w którym identyfikowano hadronowe rozpady τ. Algorytm ten jest kluczowym elementem poszukiwań bozonu Higgsa w rozpadzie na dwa leptony τ, w którym oba taony rozpadają się hadronowo. W tym samym czasie Autor wniósł również znaczący wkład w testy i uruchamianie układu wyzwalania opartego na komorach mionowych RPC detektora CMS. W 2006 roku detektor CMS nie był jeszcze kompletny, a jego elementy znajdowały się na powierzchni, nad docelowym miejscem instalacji. Działalność ta była częścią pierwszego z serii testów detektora CMS przy użyciu mionów pochodzących z promieniowania kosmicznego (ang. Magnet Test and Cosmic Challenge, MTCC) [2]. W czasie MTCC po raz pierwszy dane były zbierane przez wycinek detektora CMS wyposażony we wszystkie rodzaje poddetektorów. Testy i rozruch układu przeprowadzano zatem na podstawie analizy danych zebranych przy obserwacji mionów pochodzących z promieniowania kosmicznego oraz poprzez wprowadzanie do systemu trygera specjalnie przygotowanych zestawów danych testowych [3, 4, 5]. Układ wyzwalania pierwszego stopnia jest początkowym etapem całego łańcucha wyzwalania, a wyzwalanie zorientowane na obecność mionów w stanie końcowym jest jedną z podstawowych sygnatur wykorzystywanych w analizach fizycznych w zderzaczach hadronowych. W latach 2008 2009 Autor pracował przy drugim wielkim eksperymencie działającym przy LHC detektorze ATLAS. W tym czasie Autor kontynuował prace nad identyfikacją hadronowych rozpadów leptonów τ oraz przy uruchamianiu systemów wyzwalania. Autor wniósł znaczący wkład w konstrukcję algorytmów identyfikacji leptonów τ opartych na funkcjach największej wiarygodności [6, 7, 8]. W tym okresie w oprogramowaniu detektora ATLAS służącym do rekonstrukcji przypadków zderzeń proton proton istniało kilka wariantów identyfikacji leptonów τ: na podstawie standardowej selekcji, tzw. cięcia, opartych na drzewach decyzyjnych oraz opartych na funkcji największej wiarygodności. Metoda oparta na funkcji największej wiarygodności, rozwijana przez Autora, dawała w tym czasie najlepsze wyniki. Równolegle z pracami przy algorytmach identyfikacji Autor był zaangażowany w działalność związaną z uruchamianiem algorytmów identyfikacji taonów na poziomie układu wyzwalania, gdzie wniósł znaczący wkład w rozwój metod kontroli układu wyzwalania (ang. Data Quality Monitoring, DQM) [9, 10]. W okresie uruchamiania zderzacza LHC, we wrześniu 2008 roku, Autor brał udział w obsłudze detektora ATLAS, pracując na kilku typach stanowisk: kontroli układu wy-

8 Wybrane aspekty poszukiwań bozonu Higgsa z Modelu Standardowego zwalania wysokiego poziomu, kontroli jakości zbierania danych oraz obsługi kalorymetru elektromagnetycznego. Od roku 2009 do chwili obecnej Autor ponownie bierze aktywny udział w pracach zespołu badawczego CMS. W latach 2009 2010 Autor brał udział w uruchamianiu i testowaniu algorytmów rekonstrukcji opartych na przepływie energii (ang. particle flow) [11, 12]. Ta nowatorska metoda stała się w krótkim czasie podstawową metodą rekonstrukcji obiektów fizycznych w detektorze CMS. Od roku 2009 główne prace Autora skupiają się na poszukiwaniach bozonu Higgsa w kanale rozpadu na dwa leptony τ, w którym jeden z taonów rozpada się na mion i neutrina, a drugi rozpada się hadronowo. W latach 2009 2010 Autor skupiał się na analizie kanału produkcji zachodzącego poprzez fuzję bozonów pośredniczących. Wyniki swych prac prezentował wielokrotnie na spotkaniach roboczych zespołu badawczego CMS. Od roku 2011 Autor rozwija metody wyznaczania tła pochodzącego od procesów QCD oraz przypadków typu W + dżet, poprzez odpowiednie przeskalowanie rozkładów uzyskanych w obszarach kontrolnych zdefiniowanych przez luźne kryteria identyfikacji leptonów τ. Czynnikiem skalującym jest w tej sytuacji prawdopodobieństwo błędnej identyfikacji dżetów hadronowych jako rozpadów leptonów τ. Na przestrzeni lat 2010 2014 Autor prezentował na międzynarodowych konferencjach wyniki poszukiwań bozonu Higgsa uzyskane przez zespół badawczy CMS przy wzrastającej ilości danych [13, 14, 15, 16]. Praca Autora stanowi w szczególności wkład do publikacji [17] prezentującej pozytywne wyniki poszukiwania bozonu Higgsa w kanale rozpadu na dwa leptony τ. W latach 2010 oraz 2011 Autor pełnił obowiązki operatora układu wyzwalania wysokiego poziomu detektora CMS. W roku 2010 Autor miał zaszczyt uczestniczyć w obsłudze detektora CMS w nocy, po uruchomieniu zderzacza LHC, niestety w czasie służby (ang. shift) Autora obsłudze LHC nie udało się jeszcze doprowadzić do zderzeń proton-proton. W roku 2010 Autor brał udział w pracach LHC Higgs Cross Section Working Group, składającej się z fizyków doświadczalnych będących członkami zespołów badawczych ATLAS i CMS oraz fizyków teoretycznych. Autor pracował przy obliczeniach przekroju czynnego na produkcję bozonów Higgsa w modelu MSSM, czyniąc wkład do pierwszego raportu tej grupy [18].

Spis treści Wstęp 11 Uwagi redakcyjne...................................................... 13 1. Mechanizm Higgsa w Modelu Standardowym 15 1.1. Model Standardowy.................................................. 15 1.2. Mechanizm Brouta Englerta Higgsa......................................... 17 1.3. Bozon Higgsa: własności i mechanizmy produkcji w LHC.............................. 18 2. Detektor CMS 23 2.1. Wstęp.......................................................... 23 2.2. Detektory śladowe................................................... 24 2.2.1. Detektory mozaikowe............................................. 24 2.2.2. Paskowe detektory krzemowe........................................ 25 2.3. Kalorymetry....................................................... 25 2.3.1. Kalorymetr elektromagnetyczny........................................ 26 2.3.2. Kalorymetr hadronowy............................................ 26 2.4. Detektory mionowe................................................... 27 2.5. Układ wyzwalania................................................... 27 2.6. Rekonstrukcja obiektów fizycznych.......................................... 29 3. Procedury statystyczne 37 3.1. Testowanie hipotez................................................... 37 3.2. Wykluczenie...................................................... 38 3.3. Odkrycie........................................................ 39 4. Poszukiwania w kanale H ττ 41 4.1. Strategia........................................................ 42 4.2. Selekcja sygnału.................................................... 44 4.2.1. Układ wyzwalania............................................... 44 4.2.2. Selekcja końcowa............................................... 46 4.3. Oszacowanie tła eksperymentalnego......................................... 47 4.4. Niepewności systematyczne.............................................. 49 4.5. Wyniki.......................................................... 50

10 Wybrane aspekty poszukiwań bozonu Higgsa z Modelu Standardowego 5. Poszukiwania w kanale H b b 55 5.1. Strategia........................................................ 56 5.2. Selekcja......................................................... 56 5.3. Oszacowanie tła.................................................... 59 5.4. Niepewności systematyczne.............................................. 60 5.5. Wyniki.......................................................... 60 6. Poszukiwania w kanale H ZZ 4e/4µ/2e2µ 63 6.1. Strategia........................................................ 64 6.2. Selekcja......................................................... 66 6.3. Oszacowanie tła.................................................... 67 6.4. Niepewności systematyczne.............................................. 68 6.5. Wyniki.......................................................... 69 7. Poszukiwania w kanale H WW 2l2ν 73 7.1. Strategia........................................................ 74 7.2. Selekcja......................................................... 75 7.3. Oszacowanie tła.................................................... 76 7.4. Niepewności systematyczne.............................................. 77 7.5. Wyniki.......................................................... 78 8. Poszukiwania w kanale H γγ 81 8.1. Strategia........................................................ 82 8.2. Selekcja......................................................... 84 8.3. Oszacowanie tła.................................................... 85 8.4. Niepewności systematyczne.............................................. 87 8.5. Wyniki.......................................................... 87 9. Wyniki zbiorcze 91 9.1. Sprzężenia....................................................... 92 9.2. Masa.......................................................... 93 10.Podsumowanie 95 Podziękowania 97 Bibliografia 98