Tese de doutoramento, Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017A mechanism of spontaneous symmetry breaking was used to explain the mass of elementary particles and predicted the existence of the Higgs boson. The Higgs boson was discovered in 2012 by the ATLAS and CMS experiments at the LHC with a mass of about 125 GeV. It now becomes necessary to study this new boson in order to validate the Standard Model of elementary particles. The Standard Model Higgs boson with a mass of 125 GeV decays most of the times to a pair of b-quarks. However, this decay is very difficult to study in a proton-proton collider like the LHC, due to the production of a huge background of b-jets (and also non-b-jets). In the LHC, the only production process with some chance to be used in this study is the associated production with a vector boson, which can decay leptonically allowing the identification of the event. One can use three possibilities: a Z boson decaying to neutrinos (0-lepton channel), a W boson decaying to an electron or muon and a neutrino (1-lepton channel) or a Z boson decaying to a pair of electrons or muons (2-lepton channel). The latter channel is the subject of this thesis. It is an interesting channel because the two charged leptons reduce the multi-jet background more than the other channels and because this channel reconstructs all the particles in the event. The analysis of the 2-lepton channel, known as ZH analysis, considers only events with high quality reconstructed particles. The two charged leptons are required to reconstruct the Z boson and the b-quarks which are reconstructed as jets, are required to be identified as b-jets (b-tagging) for the reconstruction of the Higgs boson. A statistical procedure uses the events selected as input to a likelihood fit to obtain normalisations of the simulated backgrounds from data and simulation comparisons and to extract the signal strength parameter, m, that multiplies the cross section times the branching ratio from the prediction for the Higgs boson from the Standard Model to adjust the ZH signal simulation process to the data. Both muons and electrons, used in the ZH analysis, are much better reconstructed than jets. So, most of the effort in this thesis was dedicated to the improvement of the jet reconstruction, in particular to the energy scale and uncertainty of the jets. I studied two methods to help reduce the systematic uncertainty of the jet energy scale, the leading experimental uncertainty of several physics analysis, with a important contribution to the ZH search, since the Higgs decays to b-quarks that hadronize into jets. First, I created a new trigger with the objective of selecting high-momenta isolated charged hadrons to be used in the determination of the calorimeter response to single hadrons, known as the single hadron response. In addition to extending the momentum range from 10 to 30 GeV, it did so in a high-pileup environment (pileup - number of interactions per proton bunch crossing). This contributed to the validation of the test beam determination of the jet energy scale uncertainty. For jets with pT above 1.8 TeV, for which the current in situ techniques are not able to set the jet energy scale uncertainty, the single hadron response is used to obtain this uncertainty. I have tested a new jet calibration in the ZH analysis: the global sequential calibration (GSC). This method was first developed to reduce the jet energy response dependence on the jet flavour, for gluon and light quark jets. My contribution was the validation and detailed performance studies for b-jets in general, and in particular for b-jets coming from the Higgs boson decay. This new calibration improved the jet energy response by about 2 - 3% and the jet energy resolution by about 20 %. Systematic uncertainties were evaluated for this calibration. I derived specific b-jet systematic uncertainties for this calibration as well as the uncertainties associated to differences between the ATLAS fast and full simulations. The Standard Model Higgs boson decaying in bb⁻ is expected to produce a very small excess of events in the invariant mass distribution of the two b-quarks. We need to have the best possible resolution on this variable and since GSC was found to reduce the b-jet jet energy response resolution, it was applied to the mb¯b distribution. GSC improves the invariant mass resolution up to 18 %. I performed the ZH analysis using a cut-based method and a statistical procedure to obtain the value of the signal strength parameter. A value of µ ⁼ ⁻ 0.69 ≠ 1.29.was obtained. This value is negative, but there is an enormous uncertainty, dominated by the statistical uncertainty, and the result is still compatible with the Standard Model prediction for the Higgs boson.O mecanismo de quebra espontânea de simetria, que foi utilizado para explicar a massa das partículas elementares do Modelo Padrão, prevê a existência do bosão de Higgs. O bosão de Higgs foi apenas descoberto em 2012 pelas experiências ATLAS e CMS no LHC com uma massa de cerca de 125 GeV. Torna-se agora necessário estudar este novo bosão de modo a validar o Modelo Padrão das partículas elementares. O bosão de Higgs do Modelo Padrão, com uma massa de 125 GeV, vai decair para um par de quarks b na maioria das vezes. No entanto, este decaimento é bastante difícil de estudar num colisionador de protões como o LHC, devido ao enorme fundo de jatos b (e jatos em geral) que são produzidos. No LHC, o único processo de produção com alguma viabilidade para ser usado para estudar este decaimento é a produção associada a um bosão vetorial, que pode decair leptonicamente, proporcionando uma assinatura limpa para identificar o evento. Aqui existem três possibilidades: um bosão Z que decai para neutrinos (canal de 0 leptões), um bosão queWdecai para um eletrão ou um muão carregado e um neutrino (canal de 1 leptão), ou um bosão Z que decai para dois eletrões ou dois muões carregados (canal de 2 leptões). Este último canal foi o escolhido para esta tese. Neste canal a presença de dois leptões carregados reduz o fundo de multi-jatos mais de que nos outros canais e todas as partículas do acontecimento são reconstruidas. A análise do canal de dois leptões, referida como análise ZH, considera apenas acontecimentos com partículas reconstruidas de elevada qualidade. Aos dois leptões é exigido que reconstruam o bosão Z, e os quarks b, que são reconstruidos como jatos, têm de ser identificados como jatos b (b-tagging). Um processo estatístico utiliza os eventos candidatos num ajuste de verosimilhança (likelihood) para obter as normalizações dos fundos simulados e extrair o parâmetro de força do sinal, m, definido como o quociente entre o produto da seção eficaz e a razão de decaimento observados com respeito ao esperado no Modelo Padrão. Tanto os muões como os eletrões, utilizados na análise ZH, são muito melhor reconstruidos do que os jatos. Assim, o maior esforço desta tese concentrou-se para melhorar a reconstrução de jatos, em particular a escala de energia dos jatos e a sua incerteza. Estudei dois métodos que ajudaram a reduzir as incertezas sistemáticas da escala de incerteza dos jatos, que é a maior incerteza sistemática experimental de várias análises de pesquisa, com uma boa contribuição para análise ZH, uma vez que o bosão de Higgs decai para quarks b que hadronizam para jatos. Comecei por criar um novo mecanismo de seleção de acontecimentos (trigger) com o objetivo de escolher hadrões carregados isolados de elevado momento, que seriam utilizados na determinação da resposta em energia do calorímetro a hadrões isolados. Graças a este trigger, passou a ser possível utilizar hadrões isolados produzidos em colisões até um momento de 30 GeV/c, onde este limite era anteriormente de 10 GeV. Com esta amostra de hadrões isolados, pode calibrar-se a resposta do calorímetro em energia, obtendo-se simultaneamente um zona de validação da incerteza determinada para a escala de energia dos jatos hadrónicos a partir de um teste de feixe de partículas com energias bem definidas a partir de 20 GeV. O Trigger mostrou ainda a estabilidade da resposta num ambiente de elevado empilhamento de sinais (pileup - número de interações por colisão de pacotes de protões). Testei uma nova calibração da energia de jatos na análise ZH: a calibração sequencial global (GSC). Este método, foi em primeiro lugar, desenvolvido para reduzir a dependência da resposta em energia dos jatos no sabor dos mesmos (jatos de gluões ou de quarks leves). A minha contribuição foi a validação e o estudo detalhado do desempenho desta calibração para jatos b em geral, e em particular para jatos b provenientes do decaimento do bosão de Higgs. Esta nova calibração melhorou a resposta da energia dos jatos em 2 - 3% e a resolução em energia destes em 20 %. Avaliei os erros sistemáticos, derivei incertezas sistemáticas específicas para jatos b para esta calibração e ainda uma incerteza associada a diferenças entre simulação rápida e completa do detetor ATLAS. Espera-se que o bosão de Higgs do Modelo Padrão a decair em bb⁻ produza um pequeno excesso de eventos na distribuição de massa invariante do par de jatos b. Necessitamos obter a melhor resolução possível nesta variável e, como a calibração GSC mostrou reduzir a resolução em energia dos jatos b, a massa invariante foi também testada com GSC. A utilização desta nova calibração melhorou a resolução em massa até 18 %. Os estudos de validação e desempenho do GSC realizados permitiram a utilização desta calibração na análise do ZH. Desenvolvi uma análise ZH independente utilizando um método de cortes e procedimento estatístico. Obtive para o parâmetro força de sinal o valor µ ⁼ ⁻0.69 ≠ 1.29. Embora negativo, este valor possui uma enorme incerteza, dominada pela incerteza estatística, sendo o resultado ainda compatível com a previsão para o bosão de Higgs feita pelo Modelo Padrão
