Search for invisible decays of the Higgs boson produced via vector boson fusion at the ATLAS detector with 139 fb−1 of integrated luminosity

Abstract

Dark Matter composes a significant part of the Universe. Despite the experimental evidence, its fundamental nature is still an open question. If dark matter interacts with the Higgs boson, it could be produced in a particle collider and it would escape undetected. This manuscript presents a search for invisible decays of the Higgs boson using 139 fb−1 of proton-proton collision data taken with the ATLAS detector at a center-of-energy of \sqrt(s) = 13 TeV at the Large Hadron Collider. This analysis targets the vector boson fusion Higgs boson production mode using a final state with two highly energetic jets with a wide separation between them in the longitudinal axis. The analysis strategy, background estimate, statistical treatment and results are presented in the following pages. Since jets are key objects in this search, additionally, the ATLAS jet energy calibration chain, and new algorithms for the subtraction of energy contributions from multiple soft interactions in the proton-proton collision are presented.

The background-only hypothesis is tested, in the absence of an excess over the Standard Model predictions an upper limit on the branching ratio of invisible Higgs boson decays is set at 95% CL. In the Standard Model this branching ratio is 0.12%. Evidence of a larger branching ratio would point to a decay into new particles. The observed upper limit is 0.145 while 0.103 was expected. This result is interpreted using Higgs-portal models to set exclusion limits on the cross section of a possible interaction between dark matter particles and a nucleon. Furthermore, upper limits for a scalar mediator with different masses than the Standard Model Higgs boson are obtained as a function of the mediator mass.

Dunkle Materie macht einen signifikanten Teil des Universums aus. Trotz der experimentellen Hinweise ist ihre grundlegende Natur noch immer eine offene Frage. Wenn dunkle Materie mit dem Higgs-Boson wechselwirkt, könnte diese in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden und würde den Detektor unentdeckt verlassen. In dieser Arbeit wird eine Suche nach unsichtbaren Zerfällen des Higgs-Bosons unter Verwendung von 139 fb−1 Proton-Proton-Kollisionsdaten präsentiert, die mit dem ATLAS-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von \sqrt(s) = 13 TeV am Large Hadron Collider gemessen wurden. Die Analyse zielt auf den Produktionsmechanismus der Vektorboson-Fusion des Higgs-Bosons und einem Endzustand mit zwei hochenergetischen Jets mit einem großen Abstand zwischen ihnen in der Längsachse. Die Analyse Strategie, die Untergrundabschätzung, die statistische Analyse und die Resultate werden vorgestellt. Da Jets Schlüsselobjekte bei dieser Suche sind, werden zusätzlich die ATLAS-Strategie der Jet-Energiekalibrierung und neue Algorithmen für die Subtraktion von Enegiebeiträgen aus vielen weichen Wechselwirkungen bei den Proton-Proton-Kollisionenpräsentiert.

Die pure Untergrund-Hypothese wird getestet. Wenn es dabei keine Überschreitung der Vorhersagen des Standardmodells gibt, wird eine obere Grenze für das Verzweigungsverhältnis der unsichtbaren Higgs-Boson-Zerfälle auf 95% CL bestimmt. Im Standardmodell liegt dieses Verzweigungsverhältnis bei 0.12%. Evidenz für ein größeres Verzweigungsverhältnis würde auf einen Zerfall in neue Teilchen hindeuten. Die beobachtete Obergrenze beträgt 0.145, während 0.103 erwartet wurde. Dieses Ergebnis wird mit Hilfe von Higgs-Portal-Modellen interpretiert, um Ausschlussgrenzen für den Wirkungsquerschnitt einer möglichen Wechselwirkung zwischen Teilchen der dunklen Materie und einem Nukleon festzulegen. Außerdem werden Obergrenzen für unsichtbare Zerfälle von skalaren Mediatoren mit anderen Massen als dem Standardmodell-Higgs-Boson als Funktion der Mediator-Masse ermittelt.