Discovery potential and mass measurement of a MSSM charged Higgs produced in top decays with the ATLAS detector

Abstract

La observació de un o varis bosons de Higgs és fonamental a l'hora d'entendre el trencament espontani de simetria del Model Estàndard (SM). En aquest model, un doblet escalar és el que proporciona el trencament espontani de simetria donant un bosó de Higgs.<br/>No obstant, el Model Estàndard té alguns problemes que són difícils de solucionar. Aquest tipus de problemes troben solució en les teories Supersimètriques (SUSY). El Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) és l'extensió supersimètrica més simple del Model Estàndard. El sector de Higgs del MSSM està format per 2 doblets de Higgs que donen 5 bosons de Higgs després del trencament espontani de simetria: 3 bosons neutres (h, H, A) i un parell carregat (H+ ,H-).<br/>El descobriment d'un bosó de Higgs carregat (H±) seria una senyal clara de nova física més enllà del Model Estàndard. Els bosons de Higgs carregats es podrien produir en grans quantitats al LHC (Large Hadron Collider) en el decaiment del quark top. En aquesta tesi, la sensitivitat del detector ATLAS en condicions de baixa lluminositat al descobriment del Higgs carregat és estudiada en detall fent ús del canal: amb i . <br/>Després d'aplicar talls cinemàtics a les diferents mostres (senyal i fons) d'esdeveniments, el fons més rellevant és el format per amb un bosó W desintegrant-se en tn i l'altre desintegrant-se hadrònicament donant un parell de jets lleugers. Aquest fons va poder ser reduït imposant un tall a la massa transversa i en el moment transvers del leptó t: degut a la polarizació del t, en els casos en que el t decau hadrònicament en una partícula carregada, aquells jets de t que provenen de la desintegració del H± tenen un moment més gran que els que provenen de la desintegració del W±.<br/>El potencial de descoberta del detector ATLAS per a un Higgs carregat produït en la desintegració del quark top ja va ser estudiat en ATLAS amb W± desintegrant-se leptònicament (mnm o ene). Els estudis de significància presentats en aquesta tesi completen els anàlisis efectuats en el pla del MSSM (mA, tanb) per la descoberta del Higgs carregat. En la regió fins ara no coberta al voltant de tanb 5-10, s'obté una significància superior a 5s per 10 fb-1 de dades (que correspon a un any funcionant a baixa lluminositat) amb el canal estudiat en aquest treball. Amb això, la combinació els estudis de potencial de descoberta dels detectors ATLAS i CMS pels diferents bosons de Higgs (h, H, A, H+, H-) cobreixen tot l'espai (mA, tanb) del MSSM. <br/>A més a més, una característica important d'aquest canal és permet mesurar la massa. La massa del Higgs cargado del MSSM ha sigut obtinguda a partir de la distribució de la massa transversa mitjançant un mètode de màxima versemblança. L'error associat a aquesta mesura està completament dominat pels efectes sistemàtics i la precisió relativa obtinguda amb aquest mètode per la mesura de la massa és d'un 4% per una lluminositat integrada de 10 fb-1.

La observación de uno o varios bosones de Higgs es fundamental para entender la rotura espontánea de simetría del Modelo Estándar (SM). En este modelo, un doblete escalar es el que proporciona la rotura espontánea de simetría dando lugar a un bosón de Higgs.<br/>Sin embargo, el Modelo Estándar tiene algunos problemas difíciles de solucionar. Esta clase de problemas hallan solución en teorías Supersimétricas (SUSY). El Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) es la extensión supersimétrica más simple del Modelo Estándar. El sector de Higgs del MSSM está formado por dos dobletes de Higgs dando lugar a 5 bosones de Higgs después de la rotura espontánea de simetría: 3 bosones neutros (h, H, A) y un par cargado (H+, H-).<br/>El descubrimiento del bosón de Higgs cargado (H±) sería una señal clara de nueva física más allá del Modelo Estándar. Los bosones de Higgs cargados podrían producirse copiosamente en el LHC (Large Hadron Collider) en la desintegración del quark top. En esta tesis, la sensitividad del detector ATLAS en condiciones de baja luminosidad al descubrimento del Higgs cargado es estudiada en detalle mediante el canal: con y . <br/>Después de aplicar cortes cinemáticos a las distintas muestras de señal y fondo, los sucesos de fondo de tipo con un bosón W desintegrándose en tn y el otro desintegrándose hadrónicamente són todavía importantes. Este fondo pudo ser reducido imponiendo cortes en la masa transversa del H± y en el momento transverso del leptón t: debido a la polarización del t, cuando éste se desintegra hadrónicamente en una partícula cargada, los jets de t que provienen de la desintegración del H± tienen un momento superior a los que provienen de la desintegración del W±.<br/>El potencial de descubrimiento del detector ATLAS para un Higgs cargado producido en la desintegración del quark top ya fue estudiado en ATLAS con W± desintegrándose leptónicamente (mnm o ene). Los estudios de significancia presentados en esta tesis completan los análisis efectuados en el plano del MSSM (mA, tanb) para el descubrimiento del Higgs cargado. En la región no cubierta hasta ahora alrededor de tanb 5-10, se obtiene una significancia superior a 5s para 10 fb-1 de datos (que corresponde a un año funcionando a baja luminosidad) con el canal estudiado en esta tesis. Es por eso que la combinación de los estudios de potencial de descubrimiento de los detectores ATLAS y CMS para los distintos bosones de Higgs (h, H, A, H+, H-) cubren todo el espacio (mA, tanb) del MSSM.<br/>Además, una característica importante de este canal es que permite medir la masa. La masa del Higgs cargado del MSSM se ha obtenido a partir de la distribución de la masa transversa utilizando un método de máxima verosimilitud. El error asociado a esta medida está completamente dominado por los efectos sistemáticos y la precisión relativa para la medida de la masa que se obtiene con este método es de un 4% para una luminosidad integrada de 10 fb-1.

The observation of one or several Higgs bosons will be of capital importance in order to understand the electroweak symmetry breaking mechanism. In the Standard Model (SM), one scalar doublet is responsible for the electroweak symmetry breaking giving as a result only one Higgs boson.<br/>However, the SM has serious drawbacks which are difficult to solve within the theory itself. This problems find a solution in Supersymmetric (SUSY) models. The Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) is the simplest SUSY extension of the SM. The MSSM Higgs sector is made of two Higgs doublets which lead to five Higgs particles after electroweak symmetry breaking: three neutral (h, H, A) and a charged pair (H+ ,H-).<br/>The discovery of the MSSM charged Higgs (H±) would be a clear sign of new physics beyond the SM. MSSM charged Higgs could be copiously produced at the LHC (large Hadron Collider) in top decays. In the present thesis, the sensitivity of the ATLAS detector to the discovery of the charged Higgs in the low luminosity running conditions is studied in detail in the channel with and .<br/>After event selection, the most relevant remaining background is with one W boson decaying into tn and the other decaying hadronically in two light jets. That background was further reduced by imposing a cut on the transverse mass and a harder cut on the t jet transverse momentum: due to t polarization effects, in one-prong t hadronic decays, t jets from H± decay are harder than the ones produced in W± decay.<br/>The discovery potential of the ATLAS detector for a charged Higgs produced in top decays was already studied in ATLAS with the W± decaying leptonically (mnm or ene). The significance studies presented in this thesis complete the (mA, tanb) survey for the MSSM charged Higgs. Furthermore, in the so far uncovered 5-10 tanb region a significance greater than 5s is obtained for 10 fb-1 of data (corresponding to one year of running at low luminosity) with the channel studied in this work. Therefore, the discovery potential studies of ATLAS standalone and ATLAS+CMS combined for any of the different MSSM Higgs bosons (h, H, A, H+, H-) cover the whole MSSM (mA, tanb) space.<br/>Moreover, an important aspect of this channel is that it gives the possibility to measure the mass. The light MSSM charged Higgs mass was obtained from the transverse mass distribution (since in the channel there is no resonance peak) by means of a maximum likelihood method and the expected precision on this mass was also given. The error was completely dominated by systematics and a precision close to 4% could be achieved for an integrated luminosity of 10 fb-1.