Search for rare Higgs boson decays at a center of mass energy of √s = 13 TeV with the CMS Experiment at the LHC

Abstract

After the discovery of the Higgs boson in 2012, several of its key properties remain unmeasured, including the Higgs boson couplings to second generation fermions and the trilinear Higgs boson self-coupling. In this thesis a contribution to the first evidence of Higgs boson decays into muons (H → μμ) and a contribution to a search for Di-Higgs boson production in final states with multiple leptons (HH → Multilepton) is presented, providing crucial tests of the Standard Model of particle physics. The main focus of this thesis lies within the HH → Multilepton analysis and its 3l + 1τh event category. The 3l + 1τh category provides the strongest individual results of the analysis, especially in physics scenarios with high (positive) κλ or small Di-Higgs invariant masses. For the HH → Multilepton analysis, seven different event categories are devised covering different final states aimed at HH decays both into vector bosons and tau leptons. For each category, a set of parameterized boosted decision trees is trained, separating the HH signal from a set of different background processes such as single, double, and triple vector boson production, single Higgs boson production and top-quark related backgrounds. The signal extraction is then performed on adequately binned BDT distributions. Here, the background estimation for processes involving misidentified leptons or leptons with misidentified charge feature data-driven methods such as the Fake-Factor method. Results include an observed (expected) limit at 95% CL on the signal strength modifier for Standard Model like HH production, r = σHH /σHH(SM) , of 21.8 (19.6) and an observed (expected) limit on the coupling modifier for the trilinear Higgs boson self-coupling κλ = λHHH /λHHH(SM) of −6.98 < κλ < 11.17 (−6.98 < κλ < 11.73). Further limits on resonant Di-Higgs boson pro- duction via a new, hypothetical heavy spin-0 or spin-2 resonance in the mass range between 250 GeV and 1 TeV, as well as on non-resonant EFT HH production are investigated.

Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons in 2012 sind mehrere seiner wichtigsten Eigentschaften bisher noch unerforscht. Das schließt die Higgs-Boson-Kopplung an Fermionen der zweiten Generation, sowie die trilineare Higgs-Boson-Selbstwechselwirkung ein. Diese Arbeit prä- sentiert Beiträge zur ersten Evidenz von Higgs-Boson-Zerfällen in Myonenpaare (H → μμ) so- wie zur Suche nach Doppel-Higgs-Boson-Produktion in Endzuständen mit mehereren Leptonen (HH → Multilepton) und leistet so Beiträge zu wichtigen Tests des Standardmodells der Teilchenphysik. Der Hauptfokus der Arbeit liegt auf der HH → Multilepton Studie und seiner 3l + 1τh Ereigniskategorie. Die 3l + 1τh Kategorie liefert hierbei die stärksten Einzelergebnisse der Analyse, insbesondere für Physikszenarien mit besonders hohem (positivem) κλ oder niedriger invarianten Doppel-Higgs-Boson-Masse. Für die HH → Multilepton Studie werden sieben Ereigniskategorien definiert, welche auf Higgs- Boson-Zerfälle sowohl in Vektor-Bosonen als auch Tau-Leptonen gerichtet sind. Für jede Kategorie wird eine Reihe an parametrisierten Boosted-Decision-Trees zur Trennung des HH Signals von Untergrundprozessen wie Einzel-, Doppel- und Dreifach-Vektor-Boson-Produktion, Einzel- Higgs-Boson-Produktion und Untergrundprozessen mit Top-Quarks trainiert. Die Signalextraktion erfolgt dann auf den histogrammierten Ausgabeverteilungen. Die Untergrundbestimmung für Prozesse mit fehlidentifizierte Leptonen oder Leptonen mit Ladungsfehlmessung erfolgt durch datengetriebene Methoden wie der Fake-Faktor Methode. Ergebnisse enthalten sowohl eine beobachtete (erwartete) obere Grenze mit 95% Konfidenzintervall auf die Signalstärke für standardmodellartiege Doppel-Higgs-Boson-Produktion r=σHH /σHH(SM) von 21.8 (19.6) sowieeine beobachtete (erwartete) Einschänkung auf den Kopplungsmodifikator der trilinearen Higg-Boson-Selbstwechselwirkung κ = λHHH /λHHH(S) von −6.98 < κ < 11.17 (−6.98 < κ < 11.73). Desweiteren werden sowohl resonante Doppel-Higgs-Boson-Produktion im Massenbereich von 250 GeV bis 1 TeV so- wie nichtresonante EFT-Doppel-Higgs-Boson-Produktion untersucht.