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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-72454
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7245/


Piacquadio, Nicola Giacinto

Identification of b-jets and investigation of the discovery potential of a Higgs boson in the WH --> l nu b bbar channel with the ATLAS experiment

Identifikation von b-Jets und Untersuchung des Entdeckungspotentials eines Higgs-Bosons in dem WH -> l nu b bbar Kanal mit dem ATLAS-Experiment

Dokument1.pdf (6.395 KB) (md5sum: 26dbeacfa71431e5ab62d48794a2aa96)

Kurzfassung in Englisch

The Standard Model of particle physics describes three of the four known fundamental interactions between the elementary articles: the electromagnetic, weak and strong forces. It provides an extremely accurate description of the electroweak
interactions up to the energy scales so far explored in high energy physics experiments.

The Large Hadron Collider (LHC), which is presently starting to operate, will provide proton-proton collisions with an unprecedented centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 14~{\rm TeV}$ and with instantaneous luminosities of up to $10^{34}~{\rm cm^{-2}s^{-1}}$, and is therefore ideally suited to explore the TeV energy domain. Two multipurpose experiments, ATLAS and CMS, were built to analyse the collisions.

The high instantaneous luminosities achievable at the LHC will result in a significant contamination of the signal processes by additional soft proton-proton collisions, usually known as pile-up interactions.
In the course of this thesis several algorithms were developed for the ATLAS experiment to reconstruct the position of the primary interaction vertex with improved precision, which rely on adaptive methods to reduce both the influence of pile-up interactions and of secondary interactions.

There is one particle predicted by the Standard Model whose existence has not yet been proven: the Higgs boson, which plays
the crucial role of giving other particles a mass without
breaking the gauge symmetry the model is built upon. All physical properties of this particle are predicted by the theory, except its mass.

The most stringent limit on the Higgs boson mass is provided by the direct searches performed at the LEP2 collider, which exclude a Standard Model Higgs boson with a mass below $114.4~{\rm GeV}/c^2$ at 95\% confidence level. Indirect constraints from electroweak precision observables, where the Higgs boson enters through virtual corrections, predict a Higgs boson mass of $87^{+35}_{-26}~{\rm GeV}/c^2$. Under the assumption that the Standard Model is valid, the Higgs boson mass is expected to be found close to the LEP2 limit, where it decays preferentially into a pair of $b$-quarks, which can be observed in the detector as $b$-quark jets.

The experimental identification of $b$-jets and the rejection of the copious backgrounds from $u$, $d$, $s$-quarks and gluon
jets is made possible by the relatively long lifetime of $b$-hadrons.
The most promising $b$-jet identification algorithms are based either on detecting individual charged particle tracks which are displaced with respect to the primary interaction vertex or on the explicit reconstruction of the secondary vertex position.
In this thesis a sophisticated secondary vertex reconstruction
algorithm is presented, which exploits the topological structure of weak $b$- and $c$-hadron decays inside a $b$-jet.

Even under the hypothesis that an excellent $b$-jet identification performance can be achieved, the search for Higgs bosons decaying to a $b$-quark pair will still suffer from copious irreducible backgrounds with $b$-jets produced by strong interactions. This is the main reason why no Higgs boson search based on the $\bbbar$ decay mode at the LHC is actually considered to yield a significant discovery potential.

Recently, a new approach for the search for Higgs bosons decaying to a pair of $b$-quarks was proposed~\cite{Butterworth:2008iy}, which relies on the already well known associated production of a Higgs boson with a $W$ or $Z$ boson, but where only the phase space region where the Higgs and the vector bosons are produced at large transverse momenta is considered. This allows a more efficient rejection of the backgrounds, but, at the same time, poses several new problems to the object identification algorithms.

A first detector level study of the $WH \to \ell\nu\bbbar$ Higgs boson search channel, based on a realistic simulation of the ATLAS detector, is presented in this thesis.
Special emphasis is put on the implementation of the jet reconstruction algorithm and on the optimisation of the $b$-jet identification performance in this specific scenario.

A significant degradation of the discovery potential is expected due to the sizable systematic uncertainties affecting the expected amount of background feeding into the signal selection. In order to reduce the impact of these uncertainties, a maximum likelihood based estimator is defined to extract the number of signal and background events directly from the data, based on the expected distributions of a few discriminating variables. Special care is taken to evaluate
the effect of experimental systematic uncertainties and the discovery potential is evaluated for Higgs boson masses in the range between $115$ and $130~{\rm GeV}/c^2$.


Kurzfassung in Sonst.

Il Modello Standard delle particelle elementari descrive tre delle quattro interazioni fondamentali tra particelle elementari: la forza elettromagnetica, debole e forte.
Esso fornisce una descrizione accurata delle interazioni elettrodeboli fino alle scale di energia sinora esplorate in esperimenti di fisica delle alte energie.

Il Large Hadron Collider (LHC), che attualmente sta iniziando ad operare, fornira' collisioni fra paia di protoni con una energia nel centro di massa di $\sqrt{s} = 14~{\rm TeV}$ e con luminosita' instantanee fino a $10^{34}~{\rm cm^{-2}s^{-1}}$, ed e' pertanto ideale per esplorare il dominio di energie nell'ordine dei TeV. Due esperimenti principali, ATLAS e CMS, sono stati costruiti per analizzarne le collisioni.

L'alta luminosita' instantanea ottenibile ad LHC risultera' in una contaminazione significativa dei processi di segnale con ulteriori collisioni soffici tra paia di protoni, usualmente denominate interazioni di pile-up. Nel corso della presente tesi diversi algoritmi sono stati sviluppati per l'esperimento ATLAS per ricostruire la posizione del vertice di interazione primario con migliore precisione, che fanno uso di metodi adattivi per ridurre l'influenza sia delle interazioni di pile-up che di eventuali interazioni secondarie.

C'e' una particella predetta dal Modello Standard la cui esistenza non e' ancora stata provata: il bosone di Higgs, che gioca il ruolo cruciale di dare massa alle altre particelle senza rompere la simmetria di Gauge su cui il modello e' costruito. Tutte le proprieta' fisiche di questa particella sono preditte dalla teoria, eccetto la sua massa.

Il limite piu' stringente sulla massa del bosone di Higgs e' dato da ricerche dirette eseguite presso l'acceleratore LEP2, che escludono un bosono di Higgs in accordo al Modello Standard con una massa inferiore a $114.4~{\rm GeV}/c^2$ con un livello di confidenza del 95\%. Vincoli indiretti posti da osservabili elettrodeboli di precisione predicono una massa di $87^{+35}_{-26}~{\rm GeV}/c^2$. Assumendo che il Modello Standard e' valido, la massa del bosone di Higgs e', con maggiore probabilita', prossima al limite di LEP2,
dove decade preferenzialmente in un paio di $b$-quark.

L'identificazione sperimentale dei $b$-jet e la soppressione del copioso fondo di jets iniziati da quark up, down e strange e da gluoni e' reso possibile dalla relativamente lunga vita media degli adroni con $b$-quark. Gli algoritmi piu' promettenti di identificazione dei jet iniziati da b-quark sono basati o sulla rivelazione di singole tracce di particelle cariche che sono scostate rispetto al vertice di interazione primario o sulla ricostruzione esplicita di un vertice secondario. In questa tesi viene presentato un sofisticato algoritmo di ricostruzione del vertice secondario, che sfrutta la struttura topologica dei decadimenti deboli degli adroni di tipo $b$ e $c$ all'interno di un $b$-jet.

Anche sotto l'ipotesi di una eccellente prestazione per l'identificazione dei $b$-jet, la ricerca del bosone di Higgs nel canale di decadimento in una coppia di $b$-jet e' soggetta al copioso fondo irriducibile con $b$-jet prodotti tramite interazione forte. Questa e' la ragione principale per cui la ricerca del bosone di Higgs nel canale di decadimento in $\bbbar$ ad LHC non e' stata finora considerata molto promettente.

Recentemente un nuovo approccio per la ricerca del bosone di Higgs nel canale di decadimento in un paio di quark $b$ e' stato proposto in letteratura, che si basa sul modo di produzione del bosone di Higgs associato ad un bosone $W$ o $Z$, ma dove viene considerata soltanto la regione di spazio delle fasi dove il bosone di Higgs e il bosone vettore sono prodotti con alto impulso transverso. Questo permette una soppressione piu' efficace dei fondi, ma, allo stesso tempo, pone diversi nuovi problemi agli algoritmi di identificazione degli stati finali.

In questa tesi viene presentato un primo studio del canale di ricerca del bosone di Higgs $WH \to \ell\nu\bbbar$, basato su una simulazione realistica della risposta del detector dell'esperimento ATLAS. Particolare enfasi e' posta sull'implementazione dell'algoritmo di ricostruzione dei jet e sulla ottimizzazione della identificazione dei $b$-jet in questo specifico scenario.

Un degrado significativo del potenziale di scoperta e' previsto a causa della notevole incertezza sistematica che affligge il numero aspettato di eventi di fondo che passano la selezione del signale. Al fine di ridurre l'impatto di tali incertezze, un estimatore basato su una funzione di massima verosimiglianza e' definito in maniera tale da estrarre il numero di eventi di segnale e di fondo direttamente dai dati, in base alle distribuzioni previste per alcune variabili discriminanti. Particolare cura e' stata posta nel valutare l'effetto delle incertezze sistematiche sperimentali ed il potenziale di scoperta e' stato valutato per bosoni di Higgs in un intervallo fra $115$ e $130~{\rm GeV}/c^2$.


SWD-Schlagwörter: Higgs-Teilchen , CERN
Freie Schlagwörter (deutsch): ATLAS , Higgs , Entdeckung , CERN , b-Tagging
Freie Schlagwörter (englisch): ATLAS , Higgs , Discovery , b-tagging , CERN
PACS Klassifikation 14.80.Bn
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Jakobs, Karl (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.01.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 26.02.2010
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