Data-driven background modeling for precision studies of the higgs boson and searches for new physics with the CMS experiment

Abstract

Der große Hadronen-Speicherring (LHC) am CERN hat in den Jahren von 2016 bis 2018 eine nie da gewesene Menge an hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen erzeugt.Daten, welche vom Compact-Muon-Solenoid-Experiment (CMS) in dieser Zeit aufgezeichnet und zertifiziert wurden, entsprechen 137 fb−1 und werden in dieser Arbeit analysiert.Kollisionsdaten werden für Präzisionstests des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik verwendet und auch für Suchen nach neuen Phänomenen, welche über das SM hinausgehen.Die in dieser Arbeit vorgestellte Präzisionsmessung befasst sich mit dem SM Higgs-Boson im Zusammenhang mit seinem Zerfall in ein Paar von Tau-Leptonen. Zudem behandelnalle hier vorgestellten Suchen nach neuen Teilchen deren Zerfall in Leptonen. Injeder Proton-Proton-Kollision werden, in Prozessen der starken Wechselwirkung, jedochzahlreiche Teilchen erzeugt. Dass in solchen Kollisionen Teilchen falsch identifiziert werden, ist unumgänglich und derartige Verwechslungen führen zu Untergründen, welche das Signal in Mess- und Suchregionen stören. Solche Untergründe müssen abgeschätzt werden,wobei sich eine genaue Abschätzung auf Simulationsbasis als schwierig gestaltet. Ausdiesem Grund wurden besondere datenbasierte Methoden entwickelt, welche die Anzahlan falsch-identifizierten Objekten in Mess- und Suchregionen besser ermitteln können. Indieser Arbeit werden solche datenbasierte Methoden vorgestellt und deren Anwendung inmehreren Analysen vorgeführt.Für den Zerfall des SM Higgs-Bosons in zwei Tau-Leptonen wird eine Messung vonSignalstärken in bis zu zwölf kinematischen Regionen vorgestellt. Eine Signalstärke ist einMaß für die relative Stärke eines Signals in Bezug auf die jeweilige Erwartung des SMs.Die Messung der Signalstärke im Zusammenhang von Higgs-Boson-Produktion mittelsVektor-Boson-Fusion ergibt einen Wert von 0.81+0.17−0.16, jene im Zusammenhang von Higgs-Boson-Produktion mittels Gluon-Gluon-Fusion einen Wert von 0.67+0.20−0.18. Des Weiterenwerden in dieser Arbeit zwei Suchen nach weiteren Higgs-Bosonen, welche in ein Paar vonTau-Leptonen zerfallen, vorgestellt. In beiden Fällen wird keinÜberschuss gegenüber denErwartungen des SMs beobachtet und es werden Modell-unabhängige obere Schranken aufdas Produkt von Produktionswirkungsquerschnitt und Zerfallsbreite des Higgs-Bosons inzwei Tau-Leptonen berechnet. Eine Suche nach Leptoquarks der dritten Generation mitzwei Tau-Leptonen im Endzustand wird ebenfalls präsentiert. Alle vorgestellten Analysenverwenden die in dieser Arbeit gezeigte Methode zur Bestimmung der Anzahl an Untergrundprozessenvon falsch-identifizierten Leptonen. Schließlich wird in dieser Arbeitebenfalls eine Suche nach, in Paaren produzierten, leichten Top-Squarks besprochen, mitdem Ziel eine neu entwickelte, datenbasierte Untergrundbestimmungsmethode in dieserAnalyse anzuwenden.

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN has produced an unprecedented amount of high-energy proton-proton collisions during the years 2016 to 2018. Data recorded and certified by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment from this time period amount to 137 fb−1 and are analyzed in this thesis. Collision data are used to perform precision tests of the Standard Model (SM) of particle physics and to search for new phenomena beyond this model. The presented precision measurement focuses on the SM Higgs boson decaying into a pair of tau leptons. Moreover, all presented searches for new particles target their decay into leptons. Proton-proton collisions, however, lead to abundant particle formation governed by the strong interaction. Particle misidentifications in collisions with suchnumerously produced particles are unavoidable and pose a background in measurement and search regions alike that needs to be estimated. Modeling particle misidentificationprecisely by means of simulation turns out to be difficult. Thus, dedicated data-driven methods are developed to assess the amount of misidentification entering measurement and search regions. In this thesis, such data-driven methods are presented and their application to several analyses is demonstrated. For the SM Higgs boson decay into two tau leptons, a measurement of signal strength modifiers, quantifying the signal size relative to the respective SM expectation in up to twelve kinematic regions, is presented. Results of more inclusive signal strengths yield0.81+0.17−0.16 and 0.67+0.20−0.18 for Higgs boson production via vector boson fusion and gluon-gluon fusion, respectively. Furthermore, two searches for additional Higgs bosons, decaying into a pair of tau leptons, are presented in this thesis. No excess over the SM expectation is observed and model-independent upper limits on the production cross section times branching ratio to tau pairs are set in both cases. In addition, a search for third-generation leptoquarks in a di-tau final state is presented. All these analyses adopt the data-driven background estimates shown in this thesis to evaluate contributions from misidentifiedleptons. Lastly, a search for pair-produced light top squarks is reviewed in the context of applying a newly developed data-driven background estimation technique.5