Study of Higgs boson production in association with top quarks at the ATLAS experiment and sensitivity of new top quark observables

Abstract

In this thesis, the search for the Standard Model (SM) Higgs boson produced in association with a top-quark pair, ttH, was performed. A dedicated study of the dileptonic topology, together with a Higgs boson decaying into a pair of b quarks, is presented, using 20.3 fb−1 of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of √s=8 TeV collected with the ATLAS detector. Being mostly dominated by tt+jets production, the events were categorised according to their jet and b-tagged jet multiplicities, which suppresses the SM backgrounds without loss of events, while maintaining the highest possible signal sensitiv- ity. In order to search for the signal, a combined statistical fit to signal-rich and signal-depleted regions was performed. An improved background prediction was achieved by combining information from differently populated regions. Signal-depleted regions were used either as background control regions, allowing to match the simulation prediction to that of data, or as sources of background information to constrain the statistical fit. A neural network was used to discriminate between signal and background events in the signal-rich regions. No significant excess of events above the background expectation was found and an observed (expected) 95% confidence level upper limit was set at 7.8 (4.5) times the Standard Model cross-section. The ratio of the measured signal strength to the Standard Model expectation was found to be μ=3.7±2.2 assuming a Standard Model Higgs boson with a mass of 125 GeV.The sensitivity of several observables to the CP nature of the top quark couplings in neutral and charged currents was also investigated in a phenomenological approach. The top quark Yukawa coupling to the Higgs boson as well as the top quark electroweak coupling to the W boson were studied, considering different beyond the standard model (BSM) scenarios, while new observables were proposed to gauge their nature. The top quark-Higgs boson coupling is probed using dileptonic ttH/A events with either a scalar SM Higgs Boson, H, or a pure pseudoscalar CP-violating Higgs boson, A, considering also mixed states. Angular distributions of the decay products, as well as CP angular asymmetries, are explored in order to separate the scalar from the pseudo-scalar components of the Higgs boson and reduce the contribution from the dominant irreduciblebackground tt+bb jets. Significant differences between angular distributions and between asymmetries of the ttH, ttA and tt+bb jets processes are observed. The nature of the top quark electroweak coupling to the W boson is also probed, using top quark (antiquark) polarisations in single top quark (antiquark) production processes, where possible deviations from the SM are considered in terms of anomalous Wtb couplings. Three orthogonal axes to investigate the top quark polarisation in the t-channel single top process were proposed and the expressions for the polarisation in these axes in terms of anomalous Wtb couplings were calculated. It was found that the polarisations in the two axes orthogonal to the spectator quark axis are very sensitive to an anomalous coupling involving a b_{L}σ^{μν}t_{R} dipole term. In particular, an asymmetry based on the polarisation normal to the production plane is more sensitive to the imaginary part of this coupling than previously studied observables.In addition, the energy and noise response of the ATLAS hadronic calorimeter (TileCal) was investigated, including inter-correlations among cells of the calorimeter and with special attention to the effect of simultaneous multiple collisions (pile-up) during the first LHC run. A full survey of the TileCal cells was performed as a function of the pseudorapidity, bunch position in a train and number of interactions per bunch crossing. Several periods of data collected by the ATLAS experiment without any selective trigger at a center-of-mass energy of 7 TeV was analysed and compared to Monte Carlo simulation reweighted to the pile-up conditions of the data. The closely monitored response of the Tile- Cal cells in different conditions contributed to a proper characterisation of the TileCal performance.

Na presente tese é discutida a pesquisa da produção bosão de Higgs do Modelo Padrão (MP) em associação com pares de quarks top, ttH. É apresentado um estudo dedicado à topologia dileptónica com decaimentos do bosão de Higgs para um par de quarks b, usando 20.3fb^{−1} de dados de colisões protão-protão com energia de centro-de-massa √s=8TeV recolhidos pelo detector ATLAS. Os eventos foram categorizados de acordo com as suas multiplicidades de jactos e jactos b, sendo o processo de fundo dominante a produção tt+jactos. A categorização em diferentes regiões de multiplicidade de jactos e jactos b suprime os fundos do MP sem perda de acontecimentos, enquanto mantém o máximo possível de sensibilidade ao sinal. De forma a procurar o sinal, foi efectuado um ajuste estatístico aos dados combinando regiões enriquecidas em sinal e fundo. Uma melhor previsão dos processos de fundo foi alcançada ao combinar a informação das diferentes regiões. Regiões ricas em fundo foram usadas como regiões de controlo dos processos de fundo, permitindo a normalização das simulações Monte Carlo dos fundos aos dados, ou alternativamente incluídas no ajuste estatístico para constranger as respectivas incertezas sistemáticas. Recorrendo a uma rede neuronal, foi possível discriminar os eventos de sinal dos de fundo nas regiões ricas em sinal. Não foi encontrado um excesso significativo de acontecimentos acima da expectativa de fundo previsto. Um limite superior observado (esperado) com um nível de confiança de 95% foi estabelecido em 7.8 (4.5) vezes a secção-eficaz prevista pelo MP para a produção de dileptónica de ttH em LHC, a uma energia de centro de massa de 8TeV. A razão entre as forças de sinal medida e a esperada pelo MP foi μ=3.7±2.2 assumindo um bosão de Higgs do MP com uma massa de 125 GeV.A sensibilidade de vários observáveis à natureza CP dos acoplamentos do quark top em correntes neutras e carregadas foi investigada usando uma abordagem fenomenológica. Tanto o acoplamento do quark top ao bosão de Higgs, como o acoplamento electrofraco do quark top ao bosão W foram estudados considerando diferentes cenários para além da física do MP, enquanto novas observáveis foram propostas para avaliar a sua natureza. O acoplamento do quark top ao bosão de Higgs foi explorado usando acontecimentos de ttH/A com um bosão de Higgs escalar, H, ou pseudoescalar, A, que viola a conservação de CP.Foram ainda considerados casos de mistura entre as componentes escalar e pseudoescalar. Distribuições angulares dos produtos de decaimento, bem como assimetrias angulares de CP, foram utilizadas para separar as componentes escalar e pseudoescalar do bosão de Higgs e reduzir a contribuição do fundo tt+bb jactos cuja topologia do estado final é igual à do sinal. São observadas diferenças significativas entre distribuições angulares e assimetrias dos processos ttH, ttA e tt+bb jactos. A natureza do acoplamento electrofraco ao bosão W foi também investigada, recorrendo a polarizações do quark (antiquark) top em processos de produção simples do quark (antiquark) top, onde possíveis desvios ao MP foram considerados em termos de acoplamentos anómalos que possam existir no vértice Wtb. São propostos três eixos ortogonais para investigar a polarização do quark top no canal t do processo de produção simples. As expressões da polarização segundo esses eixos foram calculadas considerando acoplamentos anómalos. A polarização segundo os dois eixos ortogonais ao quark espectador é muito sensível a um acoplamento anómalo que envolva um termo b_{L}σ^{μν}t_{R}. A assimetria baseada na polarização segundo a direcção perpendicular ao plano de produção é mais sensível à parte imaginária deste acoplamento do que outros observáveis já conhecidos.Foi ainda investigada a resposta de energia e ruído do calorímetro hadrónico da experiência ATLAS (TileCal), incluíndo inter-correlações entre as células do calorímetro, com particular atenção ao efeito de colisões múltiplas simultâneas (pile-up) durante o primeiro run do LHC. Verificaram-se todas as células do Tile- Cal em função da pseudorapidez, da posição do bunch num comboio de protões e do número de interações por bunch crossing. Foram analisados vários períodos de dados com energia de centro-de-massa 7 TeV recolhidos pela experiência ATLAS sem qualquer trigger de selecção, e comparados com simulação Monte Carlo de eventos pesados às condições de pile-up dos dados. A monitorização detalhada contribuiu para uma melhor compreensão da resposta do calorímetro hadrónico Tilecal.