Search for a resonance decaying into a quark top and a Higgs boson in the same sign dilepton final state using Run 2 data with the CMS experiment at LHC

Abstract

This thesis is centered on the search for a potential new particle which could be integrated into the Standard Model to address the hierarchy problem in the Higgs boson sector. The Standard Model is the most precise theories in particle physics, classifying elementary particles and their interactions. These particles acquire mass through the interaction with the Higgs field, characterized by the Higgs boson. However, the Higgs boson mass cannot be explained with the Standard Model. This problem, known as the hierarchy problem, can be solved by adding particles to the Standard Model. We propose to incorporate a hypothetical 'Vector-Like Quark' T' into the Standard Model. Specifically, we will investigate the decay of the particle T' into a Higgs boson accompanied with a top quark, focusing on the same sign dilepton final state. This search uses data collected during the Run 2 period (2016-2018) by the CMS detector, one of the four main experiments at the LHC. The center-of-mass energy considered here is √s = 13 TeV, and the integrated luminosity is Lint = 137.6 fb−1. As this final state has never been explored before, a new analysis strategy was developed to identify the presence of the particle T'. The thesis presents the comprehensive analysis strategy in five key steps. The first step involves the identification of the different particles which constitute the final step. The second step focuses on the definition of the signal region, where the signature of the particle T' must be detected. This includes extensive studies on the cut-based selection, the determination of the discriminant observable, and the optimization of the selection process to maintain control over the background shape after the full selection. The third step establishes the control and measurement regions for estimating the background shape of each major background process within the signal region. This includes one control region and three measurement regions. The fourth step integrates the uncertainties, categorized into three types: the experimental systematic uncertainties, the theoretical systematic uncertainties, and the statistical uncertainties. The last step evaluates the expected exclusion limits on the cross section without signal with a 95% Confidence Level, and the expected significance as a function of the nominal mass of the particle T'. The results have a similar sensitivity to those obtained in other final states, with an expected cross section ranging from 800 pb to 400 pb for a nominal mass value of the particle T' ranging from 600 to 1200 GeV. Following this thesis, these simulation results will be compared with real data to assess the potential existence of the Vector-Like Quark T'. In addition to this analysis, a new trigger path within the CMS collaboration has been characterized for the Vector-Like Quark T' decay into a Higgs boson accompanied with a top quark in the all-hadronic resolved final state. These studies concern the Run 3 period (2022-2025). Preliminary results with 2022 and 2023 data have refined the properties of the trigger path, enabling optimal data acquisition through 2025.Cette thèse s'intéresse à la recherche d'une nouvelle particule à ajouter au Modèle Standard pour résoudre le problème de hiérarchie dans le secteur du boson de Higgs. Le Modèle Standard est la théorie la plus précise de la physique des particules, classifiant toutes les particules fondamentales ainsi que leurs interactions. L'interaction des particules avec le champ de Higgs, caractérisé par le boson de Higgs, leur donne notamment leur masse. Cependant, la masse du boson de Higgs n'est pas expliquée par le Modèle Standard. Ce problème, communément appelé le problème de hiérarchie, peut être résolu en ajoutant des particules au Modèle Standard. Nous nous focalisons sur l'ajout d'un hypothétique "Vector-Like Quark" T' au Modèle Standard. Nous nous intéressons en particulier à la désintégration de la particule T' en un boson de Higgs et un quark top dans un état final dileptonique même signe. La recherche de cette particule s'effectue avec les données de la période dite du "Run 2" (2016-2018) au sein de l'expérience CMS, l'une des quatre expériences principales du LHC. L'énergie du centre de masse étudiée ici de √s = 13 TeV pour une luminosité intégrée totale de Lint = 137.6 fb−1. L'étude de cette désintégration n'a jamais été effectuée auparavant, c'est pourquoi une stratégie d'analyse complète a dû être mise en place pour identifier la présence de la particule T'. La thèse présente l'intégralité de la stratégie d'analyse en cinq étapes. La première étape consiste à identifier les différentes particules qui constituent l'état final. La deuxième étape définit la région de signal dans laquelle la signature de la désintégration de la particule T' doit être identifiable. De nombreuses études ont été menées concernant la liste des coupures, le choix de la variable discriminante, ainsi que l'optimisation de la sélection pour conserver la forme de la distribution du bruit de fond coupure après coupure. La troisième étape définit les régions de contrôle et de mesure pour estimer la distribution des bruits de fond principaux de la région de signal. Une région de contrôle et trois régions de mesure sont définies ici. La quatrième étape implémente les différentes incertitudes, divisées en trois sources : les incertitudes systématiques expérimentales, les incertitudes systématiques théoriques et les incertitudes statistiques. La dernière étape évalue les limites d'exclusion attendues sur la section efficace en l'absence de signal avec un niveau de confiance de 95%, ainsi que la significance attendue en fonction de la masse nominale de la particule T'. Les résultats présentés ont une sensibilité similaires à ceux obtenus dans des états finaux parallèles à celui étudié ici, avec une section efficace attendue variant de 800 à 400 pb pour une masse nominale de la particule T' allant de 600 à 1200 GeV. À la suite de cette thèse, les résultats obtenus avec les données simulées seront comparés aux vraies données enregistrées pour évaluer la potentielle existence du Vector-Like Quark T'. En parallèle de cette analyse, un nouveau chemin du système de déclenchement du détecteur CMS a été caractérisé pour la désintégration du Vector-Like Quark T' en un boson de Higgs et un quark top dans un état final tout hadronique. Ces études s'effectuent dans le cadre du Run 3 (2022-2025). Les résultats préliminaires obtenus avec les données de 2022 et 2023 ont permis une amélioration dans les propriétés du chemin, permettant une prise de données optimale jusqu'en 2025