Neutral higgs boson and Z boson decays into Pairs of Tau leptons with the CMS detector

Abstract

In dieser Arbeit werden Z-Boson- und neutrale Higgs-Boson-Zerfälle zu zwei Tauonen mit Daten analysiert, die vom Compact Muon Solenoid- (CMS-) Experiment am Large Hadron Collider (LHC) aufgezeichnet wurden. Ein zentrales Element dieser Arbeit ist die Wirkungsquerschnittsmessung des Z/$\gamma^{*}\rightarrow\tau\tau$-Zerfalls. Die dabei analysierten Kollisionsdaten wurden 2015 in Proton-Proton-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet und entsprechen einer integrierten Luminosität von 2.3 fb$^{-1}$.~Der Z/$\gamma^{*}\rightarrow\tau\tau$-Zerfall ist ein wichtiger, vom Standardmodell der Teilchenphysik vorausgesagter, Prozess. Zum einen dient dieser Zerfall als Standardkanal, um physikalische Eigenschaften der Tauonen zu untersuchen, zum anderen stellt Z/$\gamma^{*}\rightarrow\tau\tau$ den wichtigsten Hintergrundprozess in Analysen dar, die nach Zerfällen von Higgs-Bosonen zu zwei Tauonen suchen. Die Messung liefert ein Ergebnis für das Produkt aus Produktionswirkungsquerschnitt und Zerfallsrate, $\sigma(\mathrm{pp}\rightarrow \text{Z}/\gamma^*+\text{X})\times\mathcal{B}(\text{Z}/\gamma^* \rightarrow \tau\tau) = 1848\pm 12(\text{stat.}) \pm 67(\text{syst.+lumi.})~\text{pb}$, und ist in Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage des Standardmodells. Außerdem bietet diese Messung die Möglichkeit, Rekonstruktionseffizienz und Energieskala von Tauonen des CMS-Detektors zu bestimmen. Ein weiteres zentrales Element dieser Arbeit ist die Suche nach zusätzlichen neutralen Higgs-Bosonen, die wiederum zu zwei Tauonen zerfallen. Dabei wurden Proton-Proton-Kollisionen analysiert, die 2016 mit einer Schwerpunktsenergie von 13~TeV aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von 35.9 fb$^{-1}$ entsprechen. Die Analyse wurde im Rahmen der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodels (MSSM) durchgeführt. Das Ergebnis zeigt keine signifikanten Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells.~Als Resultat werden Ausschlussgrenzen auf das Produkt aus Produktionswirkungsquerschnitt und Zerfallsrate gesetzt und Möglichkeiten für die Interpretation der Ergebnisse im Kontext von Theorien jenseits des SM diskutiert. Zusätzlich werden in dieser Arbeit Weiterentwicklungspläne des CMS Detektors diskutiert, wobei speziell auf die Identifizierung von Tauonen eingegangen wird.

In this thesis, analyses of Z boson and neutral Higgs boson decays into pairs of tau leptons at the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC) are studied. A measurement of the Z/$\gamma^{*}\rightarrow\tau\tau$ cross section in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented, using 2015 proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 2.3fb$^{-1}$.~The Z/$\gamma^{*}\rightarrow\tau\tau$ decay is an important standard model process constituting the dominant irreducible background in Higgs boson searches in the di-tau final state.~The product of the cross section and branching fraction is measured to be $\sigma(\text{pp}\rightarrow \text{Z}/\gamma^*+\text{X})\times\mathcal{B}(\text{Z}/\gamma^* \rightarrow \tau\tau) = 1848\pm 12(\text{stat.}) \pm 67(\text{syst.+lumi.})~\text{pb}$, in agreement with the standard model expectation.~In addition, the reconstruction and identification efficiency and the energy scale of tau lepton decays to hadron+$\nu_\tau$ final states are obtained. A search for additional neutral Higgs bosons decaying to pairs of tau leptons is presented, using 2016 proton-proton collision data recorded at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb$^{-1}$.~The search is performed in the context of the minimal supersymmetric extension of the standard model (MSSM).~No significant deviations above the expected standard model background are observed and model-independent upper limits are set on the product of the cross section and the branching fraction.~Furthermore, exclusion contours in the $m_\text{A}$-$\tan\beta$ plane for selected MSSM benchmark scenarios are provided. Finally, upgrade plans that are foreseen to prepare the CMS detector for the high luminosity LHC era are discussed, where special emphasis is put on the identification performance of tau lepton decays to hadron+$\nu_\uptau$ final states.