HL-LHC sensitivity for heavy MSSM Higgs bosons in di-tau decays using realistic and parametrized detector simulation techniques with the CMS experiment

Abstract

With the discovery of the Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC) in 2012, theStandard Model (SM) of particle physics was completed. However, dark matter or gravitationcannot be described within this model. Thus, extended theories are required, e.g. the minimalsupersymmetric extension of the SM (MSSM). The MSSM predicts five Higgs bosons: a lightHiggs h, two heavy Higgs particles H and A and two charged Higgs bosons H+-.The Compact Muon Solenoid experiment (CMS) at the LHC searches, among other things,for the MSSM Higgs bosons H and A. So far, no evidence has been found, either becausethe particles do not exist or due to experimental limitations such as available luminosityand accessible energy at the LHC. These experimental limitations should be reduced by theHigh-Luminosity LHC (HL-LHC) which is currently under construction. In order to maintaina similar detector performance at higher pile-up and background, the CMS detector is alsorebuilt.Projection studies use experimental data and simulations to make predictions about e.g.the detector performance of the CMS upgrade, the measurements of the properties of theHiggs boson at the HL-LHC or the search for MSSM Higgs bosons at the HL-LHC.In this thesis two simulation techniques, a full detector simulation and a fast detectorsimulation, are introduced and compared with each other in the context of the final discriminant,the total transverse mass of the H -> tautau decay. The comparison shows a modestagreement of the simulation methods with deviations of 30% for b-tagged events or 50% fornon b-tagged events. This can be explained by differences in the simulated datasets, such asthe momentum distribution of the missing transverse energy or the basic set of tau candidates.A better agreement could be obtained by modifying pT^miss or pT distributions of the tau leptonsat the beginning of the analysis.Furthermore, projections of the sensitivity to the MSSM Higgs bosons H and A in thefour final states emu, etau_h, mutau_h and tau_htau_h are presented. The projections are based on data,collected in 2016 at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 39.5 fb-1. Thedata are scaled with 300 fb-1 and 3000 fb-1, whereby the latter value corresponds to thetotal luminosity collected at the HL-LHC. For the masses of the heavy MSSM Higgs bosonsabove 1TeV, an improvement of one order of magnitude is expected on the limits on thecross section. The expected lower limit on the mass of the heavy Higgs bosons is extendedfrom 1.35 to 2TeV for tan(beta) = 36, for the m_h^mod+ benchmark scenario (see Ref. [1]).Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) im Jahr 2012 wurde das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik komplettiert. Dunkle Materie oder Gravitationkonnen im Rahmen des SM allerdings nicht erklärt werden, weshalb es erweiterter Theorien bedarf, wie z.B. der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des SM (MSSM). Diese sagtfünf Higgs-Bosonen voraus: ein leichtes Higgs-Boson h, zwei schwere Higgs-Teilchen H undA und zwei geladene Higgs-Bosonen H+-.Das Compact Muon Solenoid Experiment (CMS) am LHC sucht, unter anderem, nachden MSSM-Higgs-Bosonen H und A. Bis jetzt ist kein Nachweis gelungen, entweder weildie Teilchen nicht existieren oder aufgrund von experimentellen Grenzen, wie die derzeitverfügbare Luminosität und erreichbare Energie des LHC. Mit dem High-Luminosity LHC(HL-LHC), dem im Bau befindlichen Upgrade des LHC, sollen diese experimentellenLimitierungen reduziert werden. Um eine gleichbleibende Detektorperformance bei höheremPile-Up und Untergrund zu gewährleisten, wird das CMS-Experiment ebenfalls umgebaut.Projektionsstudien verwenden experimentelle Daten und Simulationen um Vorhersagenzu treffen, wie z.B. über die Detektorperformance des CMS-Upgrades, über die Messung derEigenschaften des Higgs-Bosons am HL-LHC oder über die Suche nach den MSSM-Higgs-Bosonen am HL-LHC.Im Zuge dieser Arbeit werden zwei Simulationsverfahren, eine realistische Detektorsimulation("full simulation") und eine parametrisierte Detektorsimulation ("fast simulation"),vorgestellt und im Kontext der finalen Diskriminante, der totalen transversalen Masse desH -> tautau Zerfalls miteinander verglichen. Der Vergleich zeigt eine mäßige Übereinstimmungder Verfahren, mit Abweichungen von 30% für b-tagged-Ereignisse bzw. 50% für nicht b-tagged-Ereignisse. Grund dafür sind Unterschiede in den simulierten Datensätzen, wieetwa die Impulsverteilungen der fehlenden Transversalenergie oder die Grundmenge vontau-Kandidaten. Eine bessere Übereinstimmung könnte erzielt werden durch die Anpassung derpT-Verteilungen der tau-Leptonen zu Beginn der Analyse oder durch die geeigneteModifizierung der fehlenden Transversalenergie.Des Weiteren werden Projektionen zur Suche nach den schweren MSSM-Higgs-BosonenH und A in die vier Endzustände emu, etau_h, mutau_h, tau_htau_h gezeigt. Hierfür werden Daten, welche imJahr 2016 am LHC gesammelt wurden, mit einer zugehörigen integrierten Luminosität von39.5 fb-1 verwendet. Anschließend werden diese auf 300 fb-1 und 3000 fb-1 skaliert, wobei derletzte Wert der geplanten totalen Luminosität, die am HL-LHC gesammeltwerden soll, entspricht. Für die Massen der schweren Higgs-Bosonen überhalb von 1TeV wirdeine Verbesserung des Limits auf den Wirkungsquerschnitt um knapp eine Größenordnungerwartet. Das zu erwartende untere Limit der Masse der schweren Higgs-Bosonen wird von1.35 auf 2TeV bei einem Wert von tan(beta) = 36 erweitert für den Fall des m_h^mod+ Benchmark-Szenarios des MSSM.7