Measurement of the CP properties of the Higgs boson in its decays to τ leptons with the CMS experiment

Abstract

The discovery of the Higgs boson in 2012 by the CMS and ATLAS collaborations marked the start of the exploration of the Higgs sector of particle physics. This thesis explores one of these measurements: the study of the CP properties of the Yukawa coupling between the Higgs and the τ lepton. The study discussed in this thesis is performed using data collected in proton-proton collisions at 13 TeV by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The dataset used in the measurement was collected throughout the Run 2 data-taking period at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb−1. In H→ττ decays the amount of CP-mixing in the Yukawa coupling can be expressed in terms of the CP mixing angle φττ, defined such that φττ = 0, π/2 and π/4 correspond to a pure CP-even, CP-odd, and maximal CP-mixing cases. This angle can be inferred by measuring the angle between the decay planes of the two τ leptons (φCP). The decay planes reconstruction was performed using dedicated methods for each decay channel. The estimation of most background processes was performed using data-driven methods, while a neural network was used to identify Higgs decays with respect to the dominant backgrounds. The measurement was performed in this thesis in the final state where a tau lepton decays muonically and the other one hadronically (τµ τh), and combined with one performed in the fully hadronic final state (τh τh). The measured CP admixture is φττ = (4 ± 17)° [(0±23)°], corresponding to a significance for the exclusion of a pure CP-odd hypothesis of 3.2σ (2.3σ). The results are in good agreement with the SM prediction of a pure CP-even coupling, and allow to exclude at 95% confidence level models that predict CP-even and CP-odd Yukawa couplings of comparable magnitude.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 durch die Zusammenarbeit der CMS- und ATLAS-Experimente hat den Beginn der Erforschung des Higgs-Sektors der Teilchenphysik markiert. Die Eigenschaften des Higgs-Bosons mit einer Masse von 125 GeV, wur- den im Laufe der Jahre eingehend untersucht. Zu diesen Eigenschaften gehört die Struktur unter Ladungskonjugation und Paritätssymmetrie (CP) der Higgs-Kopplungen. Diese Dissertation untersucht eine dieser Messungen: die Untersuchung der CP-Eigenschaften der Yukawa-Kopplung zwischen dem Higgs und dem τ-Lepton. Die Messung von dieser Doktorarbeit wird unter Verwendung von Daten durchgeführt, die bei Proton-Proton-Kollisionen bei einer Massenschwerpunktsenergie von 13 TeV durch das Compact Muon Solenoid (CMS) - Experiment am Large Hadron Collider (LHC) gesammelt wurden. Der für die Messung verwendete Datensatz wurde während des gesamten Datenerfassungszeitraums von Lauf 2 am LHC gesammelt, was einer integrierten Luminosität von 137 fb−1 entspricht. In H→ττ -Zerfällen kann die Menge der CP-Mischung in der Yukawa-Kopplung als CP-Mischwinkel φττ ausgedrückt werden, der in der Tat als folgendes definiert, dass φττ = 0, π/2 und π/4 einem reinen CP-geraden, CP-ungeraden und maximalen CP-Mischfall entsprechen. Dieser Winkel kann durch Messen des Winkels zwischen den Zerfallsebenen der beiden τ-Leptonen (φCP) abgeleitet werden. Die Rekonstruktion der Zerfallsebenen wurde unter Verwendung spezieller Methoden für jeden Zerfallskanal durchgeführt. Die Abschätzung der meisten Untergrundprozesse wurde unter Verwendung von datengetriebenen Methoden durchgeführt, während ein neuronales Netzwerk verwendet wurde, um Higgs-Zerfälle in Bezug auf die dominanten Untergründe zu identifizieren. In dieser Doktorarbeit die Messung wurde im Endzustand durchgeführt, in dem ein Tau-Lepton muonisch und das andere hadronisch (τµ τh) zerfällt und mit einer Studie kombiniert, die im vollständig hadronischen Endzustand (τh τh) durchgeführt wurde. Die Schätzung der CP-Beimischung ist φττ = (4 ± 17)° [(0±23)°], entsprechend einer Signifikanz für die Trennung zwischen CP-geraden und CP-ungeraden Hypothesen von 3.2σ (2.3σ). Die Ergebnisse stimmen gut mit der SM-Vorhersage einer reinen CP-geraden Kopplung überein und erlauben es, Modelle mit einem Konfidenzniveau von 95% auszuschließen, die CP-gerade und CP-ungerade Yukawa-Kopplungen vergleichbarer Größe vorzuhersagen.