The Standard Model of particle physics is the most successful and precise theoretical description of fundamental physics. The discovery of the Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS experiments at the LHC provided strong evidence for the Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism, explaining how elementary particles gain their masses in the Standard Model. However, the Standard Model is known to be an incomplete description of the nature, as it cannot explain the origin of dark matter, neutrino masses or the observed matter–antimatter asymmetry. Therefore more general models with an extended Higgs sector are actively being studied. Models with at least two Higgs doublets predict the existence of electrically charged Higgs bosons. The observation of charged Higgs bosons would provide direct evidence for new physics and guide way towards a more comprehensive theory.
In this thesis, a search is presented for charged Higgs bosons decaying into a tau lepton and a neutrino, based on proton-proton collision events recorded by the CMS experiment in 2016 at a center-of-mass energy of 13 TeV. The amount of data corresponds to an integrated luminosity of 35.9 inverse femtobarns. The search targets the hadronic final state with a hadronically decaying tau lepton, missing momentum due to neutrinos, and additional jets from an associated top quark decay.
This analysis contains multiple methodological improvements with respect to the previous CMS results on the same search channel. The particle identification algorithms and selection criteria are optimized for good performance under challenging luminosity conditions. Categorization of events based on tau lepton helicity is used to enhance sensitivity.
The background from events with jets misidentified as tau leptons is estimated from data, whereas the background from genuine-tau events is estimated from simulation. This thesis also presents a new version of the tau embedding method, which allows the estimation of the genuine-tau background using single-muon events.
The transverse mass of the tau-neutrino system is reconstructed. As the data agree with the background-only hypothesis, upper limits are derived for the charged Higgs boson production rate. The search covers signal hypotheses from 80 GeV to 3 TeV, and for the first time in CMS, the hypotheses with the charged Higgs boson mass close to the top quark mass are scanned. For maximal signal sensitivity, the results are combined with those from the leptonic final states of the same search channel. The combined result is interpreted in the context of the Minimal Supersymmetric Standard Model.Hiukkasfysiikan standardimalli on toistaiseksi tarkin teoria perustavista luonnonlaeista. Higgsin bosonin havaitseminen vuonna 2012 LHC-törmäyttimen ATLAS- ja CMS-koeasemilla tarjosi vahvaa näyttöä niin sanotun Higgsin mekanismin puolesta. Tämä mekanismi selittää, kuinka alkeishiukkasten massat syntyvät standardimallissa. Standardimalli ei kuitenkaan ole täydellinen kuvaus luonnosta, sillä se ei selitä pimeän aineen syntyperää, neutriinojen massoja tai havaittua aineen ja antiaineen epäsymmetriaa. Siksi yleisempiä malleja, joissa on useampia Higgsin kenttiä, tutkitaan tiiviisti. Mallit, joissa on vähintään kaksi Higgs-duplettikenttää, ennustavat sähkövarauksellisten Higgsin bosonien olemassaolon. Sähkövarauksellisten Higgsin bosonien havaitseminen tarjoaisi suoraa todistusaineistoa standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta ja viitoittaisi tietä kohti laajempaa teoriaa.
Tässä väitöskirjassa etsitään sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita, jotka hajoavat tau-leptoniksi ja neutriinoksi. Etsinnässä analysoidaan CMS-koeaseman vuonna 2016 mittaamia 13 TeV:n massakeskipiste-energian protoni–protoni-törmäyksiä. Datan määrä vastaa 35.9 käänteisen femtobarnin integroitua luminositeettia. Tähtäimessä on hadroninen lopputila, jossa tau-leptoni hajoaa hadronisesti, top-kvarkin hajoamisesta syntyy hadronisia hiukkasryöppyjä (jettejä) ja jossa neutriinot havaitaan epäsuorasti mitattujen kohtisuorien liikemäärien epätasapainona.
Työssä käytetyt analyysimenetelmät ovat kehittyneempiä verrattuna aiempiin CMS-kollaboraation tuloksiin samasta etsintäkanavasta. Hiukkasten tunnistamiseen ja törmäystapahtumien valitsemiseen käytetyt algoritmit on optimoitu korkean luminositeetin olosuhteisiin. Tilastollisessa analyysissa törmäystapahtumat kategorisoidaan tau-leptonin helisiteettiin perustuvalla menetelmällä. Taustatapahtumat, joissa jetti on virheellisesti tunnistettu tau-leptoniksi, arvioidaan datasta. Oikeita tau-leptoneita sisältävät taustatapahtumat puolestaan arvioidaan simulaatiolla. Tässä väitöskirjassa esitellään myös uusi versio menetelmästä, jolla tämä tausta voidaan arvioida myoneja sisältävistä törmäystapahtumista.
Tilastollinen analyysi perustuu tau–neutriino-systeemin kohtisuoraan massaan, jonka avulla johdetaan yläraja sähkövarauksellisten Higgsin bosonien tuottotodennäköisyydelle. Etsintä kattaa massa-alueen 80 GeV:n ja 3 TeV:n välillä. Tämä on ensimmäinen CMS-analyysi, jossa etsintään sisältyy myös massa-alue top-kvarkin massan läheisyydessä. Tulokset yhdistetään saman etsintäkanavan leptonisen lopputilan tuloksiin ja tulkitaan käyttäen minimaalista supersymmetristä standardimallia
