Measurement of Higgs boson properties in the diphoton decay channel and a search for di-Higgs production in the gamma gamma b anti-b final state with the ATLAS detector

Abstract

La búsqueda del bosón de Higgs fue la pieza central de los programas de física para los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones durante el Run 1 de la toma de datos. El descubrimiento de esta partícula, anunciado el 4 de julio de 2012 por las colaboraciones de ATLAS y CMS, representó un hito a la hora de comprender el mecanismo de ruptura de simetría electrodébil, por el cual las partículas fundamentales adquieren masa. Ahora es esencial que el bosón de Higgs sea ampliamente estudiado. Las mediciones precisas de sus propiedades confirmarán su naturaleza y cualquier desviación de la predicción del Modelo Estándar representará un signo claro de nueva física. Esta tesis presenta dos análisis de física realizados con el detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones. Se utilizaron datos de colisiones protón-protón, correspondientes a una luminosidad integrada de 36.1 1/fb, obtenida con una energía de centro de masa de 13 TeV, durante 2015 y 2016. El primer análisis es una búsqueda de la producción de pares de bosones de Higgs resonantes y no resonantes en el estado final gamma gamma b anti-b. No se observan desviaciones significativas de las predicciones del Modelo Estándar. El límite superior (con el 95% CL) observado (esperado) en la sección eficaz para la producción no resonante es de 0.73 pb (0.93 pb) y corresponde a 22 (28) veces la sección eficaz predicha por el Modelo Estándar, lo que mejora el resultado no resonante anterior obtenido por ATLAS con datos del Run 2 en un factor de cinco. Para la producción resonante de pares de bosones de Higgs decayendo a gamma gamma b anti-b, se presenta un límite en función de la masa de resonancia. Los límites observados (esperados) oscilan entre 1.14 pb (0.90 pb) y 0.12 pb (0.15 pb) para masas de resonancia en el rango de 260 GeV hasta 1000 GeV. El segundo análisis de física es la medición de las secciones eficaces totales del modo de producción del bosón de Higgs, las intensidades de la señal y las secciones eficaces simplificadas, así como la medición de las secciones eficaces fiduciales y diferenciales en el canal de desintegración del bosón de Higgs a dos fotones. La intensidad de la señal medida confirma la medición de la intensidad de la señal obtenida por ATLAS en el mismo canal de desintegración con datos del Run 1 en aproximadamente un factor de dos de mejora en cada componente de la incertidumbre. La precisión de estas mediciones actualmente está dominada por sus incertidumbres estadísticas, pero se espera que mejore en los próximos años del LHC, ya que a medida que se recopilen más datos, la incertidumbre estadística disminuirá. Se hace especial hincapié en la estrategia seguida para estimar la incertidumbre en el modelado de la lluvia de partones, el evento subyacente y la hadronización, lo cual es especialmente desafiante debido a la dificultad de generar eventos suficientes para cada categoría de reconstrucción de eventos, región fiducial o cada intervalo de una sección eficaz diferencial fiducial. Las técnicas de reconstrucción e identificación de los objetos relevantes, como fotones y jets, se cubren ampliamente, y se realiza una validación de la escala de energía del calorímetro utilizando la respuesta del calorímetro hadrónico de ATLAS, TileCal, a hadrones individuales y cargados con datos de colisiones protón-protón obtenidos con una energía del centro de masas de 7 y 8 TeV, durante 2010-2012 con el detector ATLAS. Los resultados presentados en esta tesis muestran que el cociente doble del valor medio () entre los datos y la simulación de Monte Carlo es aproximadamente uno, con desviaciones de la unidad de menos del 5% posiblemente debidas a una mala calibración de la escala electromagnética en los datos o a diferencias en la descripción de Monte Carlo debido a un desarrollo de cascada hadrónica relativamente complejo. En la región de barril del calorímetro el nivel de acuerdo del 3% se mantiene a pesar de los cambios considerables en las condiciones del haz./ La recerca del bosó de Higgs fou l’objectiu principal dels programes de física dels experiments de l’LHC durant el Run 1. El descobriment d’aquesta partícula, anunciat l’any 2012 per les col·laboracions ATLAS i CMS, constituí una fita molt important per a la física de partícules a l’hora d’entendre el mecanisme de trencament espontani de simetria del Model Estàndard pel qual les partícules fonamentals adquireixen massa. Ara és essencial que el bosó de Higgs siga estudiat extensivament. Mesures precises de les seues propietats confirmaran la seua naturalesa, i qualsevol desviació de la predicció del Model Estàndard representarà un signe inequívoc de nova física. Aquest fi no es pot aconseguir sense un bon enteniment de l’aparell experimental. Els estudis de rendiment descrits en aquesta tesi se centren en validar els mètodes de reconstrucció i calibratge del calorímetre TileCal del detector ATLAS mitjançant l’ús de la resposta del calorímetre als hadrons aïllats amb dades recollides des del 2010 fins al 2012. Els resultats mostren que el quocient doble del valor mitjà () entre les dades i la simulació de MC és compatible amb la unitat. Concretament en la regió de barril del TileCal s’observa un 3% de discrepància màxima a pesar de canvis importants en les condicions del feix al llarg dels tres anys. La producció de parells de bosons de Higgs és el procés de producció més senzill que és sensible a l’autoacoblament i proporciona una gran quantitat de possibilitats per investigar interaccions multidimensionals, així com l’existència d’estats més pesats acoblats al Higgs. Aquesta tesi presenta una recerca de la producció de parells de bosons de Higgs en l’estat final gamma gamma b anti-b amb dades recollides a una energia del centre de massa de 13 TeV amb el detector ATLAS. No s’observen desviacions significatives de les prediccions del Model Estàndard. El límit superior observat (esperat) amb un nivell de confiança del 95% en la secció eficaç de producció no ressonant és 0.73 pb (0.93 pb) i correspon a 22 (28) vegades la predicció del Model Estàndard, el qual millora el resultat precedent publicat per l’experiment ATLAS en un factor de cinc. En el cas de la producció ressonant, els límits observats (esperats) en la secció eficaç oscil·len entre 1.14 (0.90) pb i 0.12 (0.15) pb per a ressonàncies de massa entre 260 GeV i 1000 GeV. Aquesta tesi també presenta la mesura de les seccions eficaces dels modes de producció del bosó de Higgs, la força dels senyals i les seccions eficaces fiducials i diferencials en el canal de desintegració a dos fotons. La força del senyal mesurada confirma la mesura realitzada per l’experiment ATLAS amb dades recollides durant el Run 1 i la millora en un factor de dos en cada component de la incertesa. Actualment la precisió d’aquestes mesures està dominada per les seues incerteses estadístiques, però s’espera que millori en els propers anys de l’LHC, ja que a mesura que es recopilin més dades la incertesa estadística disminuirà. Aleshores, ser capaços de realitzar estimacions precises de les incerteses sistemàtiques serà essencial, en particular de la incertesa en la modelització de la pluja de partons, l’esdeveniment subjacent i l’hadronització, que suposa un repte a causa de la dificultat de generar esdeveniments suficients per a cada categoria de reconstrucció, regió fiducial o interval d’una secció eficaç diferencial. Aquesta tesi estableix els fonaments per a l’estimació d’aquesta incertesa que s’espera millorar en un futur pròxim.The hunt for the Higgs boson was the centerpiece of the physics programs for the experiments at the Large Hadron Collider during Run 1 of data-taking. The discovery of this particle, announced on July 4th 2012 by the ATLAS and CMS collaborations, represented a milestone in clarifying the mechanism of electroweak symmetry breaking, by which fundamental particles acquire mass. It is now essential that the Higgs boson is extensively studied. Precise measurements of its properties will confirm its nature, and any deviations from the Standard Model prediction will represent a clear sign of new physics. This thesis presents two physics analyses performed with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Proton-proton collision data was used, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 1/fb, obtained at a center-of-mass energy of 13 TeV, during 2015 and 2016. The first analysis is a search for resonant and non-resonant Higgs boson pair production in the gamma gamma b anti-b final state. No significant deviations from the Standard Model predictions are observed. The observed (expected) 95% CL upper limit on the cross section for non-resonant production is 0.73 pb (0.93 pb) and corresponds to 22 (28) times the predicted SM cross section, which improves the previous ATLAS Run 2 non-resonant result in a factor of five. For resonant production of di-Higgs to gamma gamma b anti-b, a limit is presented for the narrow-width approximation as a function of the resonance mass. The observed (expected) limits range between 1.14 pb (0.90 pb) and 0.12 pb (0.15 pb) for resonance masses in the range from 260 GeV until 1000 GeV. The second physics analysis is the measurement of the total Higgs boson production-mode cross sections, signal strengths, and simplified template cross sections, as well as the measurement of the fiducial and differential cross sections in the diphoton decay channel. The measured signal strength confirms the ATLAS Run 1 diphoton signal strength measurement with around a factor of two improvement in each component of the uncertainty. The precision of these measurements is currently dominated by their statistical uncertainties, but it is expected to improve in the next years of the LHC, as more data is collected the statistical uncertainty will decrease. Special emphasis is given to the strategy followed to estimate the uncertainty in the modeling of the parton shower, underlying event and hadronization, which is especially challenging due to the difficulty of generating sufficient events for each event reconstruction category, fiducial region, or each bin of a fiducial differential cross section. The reconstruction and identification techniques of the relevant objects such as photons and jets are covered extensively, and a validation of the calorimeter energy scale is performed by using the ATLAS Tile Calorimeter response to single hadrons with proton-proton collision data obtained at center-of-mass energies of 7 and 8 TeV, during 2010-2012 with the ATLAS detector. Results presented in this thesis show that the double ratio of the mean value () between data and MC simulation is approximately one, with deviations from unity of less than 5% possibly due to poor electromagnetic scale calibration in the data or differences in the MC description due to a relatively complex hadron shower development. In the Long Barrel region, the 3% level agreement is maintained despite sizeable changes in beam conditions