Constraints on the Higgs self-coupling at the LHC with √s = 13 TeV and long-lived particles searches with a future lepton collider - CEA - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives
Thèse Année : 2023

Constraints on the Higgs self-coupling at the LHC with √s = 13 TeV and long-lived particles searches with a future lepton collider

Contraintes sur l'auto-couplage du Higgs au LHC avec √s = 13 TeV et recherches de particules à longue durée de vie avec un futur collisionneur de leptons

Yulei Zhang

Résumé

The Standard Model (SM) of particle physics provides a comprehensive framework that has been experimentally verified to an impressive degree, with the Higgs boson as a pivotal element. Investigations into di-Higgs interactions offer vital insights into the self-coupling behavior of the Higgs boson and potentially elucidate the mechanisms underlying electroweak symmetry breaking. Moreover, the Higgs boson acts as a prospective avenue for exploring a multitude of theories beyond the Standard Model, with Long-Lived Particles (LLPs) representing just one of several intriguing models yet to be fully explored. In the dissertation's first analysis, attention is centered on the production of SM Higgs boson pairs HH decaying to multilepton final states, especially 3-lepton. Utilizing 140 fb-1 of proton-proton collision data at √s = 13 TeV from the ATLAS detector's RUN 2, the study predominantly explores HH production via gluon-gluon fusion, with Vector Boson Fusion contributing additional signal yield. Critical to this work is the mitigation of the primary WZ background, addressed through reweighting to account for mis-modeling at high jet multiplicities, and the secondary fake-lepton background, estimated via the Template Fit method. A gradient-boosted Decision Tree is employed for optimal signal-background discrimination, further refined through a 3-fold training technique and exhaustive hyperparameter tuning. Remarkably, this 3-lepton channel achieves an upper limit of 28.09 on the HH cross-section over SM, constituting a 9.4-fold enhancement over previous analyses. When considering all multilepton channels, the expected upper limit stands at 9.74, making the 3-lepton channel result one of the best limits among pure leptonic decay channels. The second key facet of this dissertation revolves around the HH → b¯bτ+τ− analysis, building on 140 fb-1 of Full Run 2 ATLAS data. This work distinguishes itself by the targeted refinement of methodological approaches, particularly concerning the κλ et κ2V coupling modifiers. Employing advanced Multivariate Analysis (MVA) techniques, the analysis optimizes for both gluon-gluon fusion and Vector Boson Fusion production modes. Specifically, event categorization is influenced by the invariant mass of the Higgs pair in the ggF region, with an additional VBF category introduced to enhance sensitivity to k2V. Utilizing MVA outputs as the ultimate discriminants has engendered significant improvements over legacy data: a 17% boost in the systematic-adjusted baseline for μHH and 11.9% and 19.8% enhancements in the 95% confidence intervals for κλ et κ2V, respectively. The HH+H combination analysis concludes the dissertation's SM di-Higgs investigations. This synthesis incorporates the primary di-Higgs channels with single-Higgs observables to impose stringent constraints on key coupling modifiers, specifically kl and klambda. In the later part of the dissertation, the investigation transitions to scrutinizing decay modes of the Higgs boson in the realm of BSM physics, specifically targeting LLPs. To this end, state-of-the-art machine learning algorithms, such as Convolutional Neural Networks (CNNs) and Graph Neural Networks (GNNs), are deployed for direct analysis on raw detector output, which significantly enhances the expected signal selection efficiency. For example, in the case of a 50 GeV LLP with a lifetime of 1 ns, the expected signal efficiency reaches 99%. This research achieves an expected upper limit of 4 x 10-6 for the branching ratio of Higgs decaying to LLPs under the assumption of 10+6 Higgs, which significantly outperforms the upper limit of 10-3 currently established by ATLAS and CMS, For LLPs with lifetimes greater than 1 ns, the analysis yields an expected upper limit that is one order of magnitude better than the expected results from the International Linear Collider.
Le modèle standard (MS) de la physique des particules fournit un cadre complet qui a été vérifié expérimentalement à un degré impressionnant, avec le boson de Higgs comme élément central. Les recherches sur les interactions di-Higgs offrent un aperçu essentiel du comportement d'auto-couplage du boson de Higgs et permettent potentiellement d'élucider les mécanismes sous-jacents à la brisure de symétrie électrofaible. Dans la première analyse de la thèse, l'attention est centrée sur la production de paires de bosons de Higgs se désintégrant vers des états finaux multileptons, en particulier 3 leptons. En utilisant 140 fb-1 de données de collision proton-proton à √s = 13 TeV provenant du Run 2 du détecteur ATLAS, l'étude explore principalement la production HH via la fusion gluon-gluon, la fusion de bosons vectoriels apportant un signal supplémentaire. Un arbre de décision dopé (BDT) est utilisé pour une discrimination optimale entre le signal et le bruit de fond, affiné par une technique d'entraînement triple et un réglage exhaustif des hyperparamètres. Ce canal à 3 leptons atteint une limite supérieure sur la section efficace de production HH de 28,1 fois celle attendue dans le modèle standard, ce qui représente une amélioration d'un facteur 9,4 par rapport aux analyses précédentes. Si l'on considère tous les canaux multileptoniques, la limite supérieure attendue est de 9,7, ce qui fait du résultat du canal 3 leptons l'une des meilleures limites parmi les canaux de désintégration purement leptoniques. La deuxième partie de cette thèse concerne l'analyse HH → b¯bτ+τ−, également basée sur 140 fb-1 de données d'ATLAS. Ce travail se distingue par l'affinement ciblé des approches méthodologiques, en particulier en ce qui concerne les modificateurs de couplage κλ et κ2V. En utilisant des techniques avancées d'analyse multivariée (MVA), l'analyse est optimisée pour les modes de production de la fusion gluon-gluon et de la fusion de bosons vecteurs. La catégorisation des événements est faite par la masse invariante de la paire de Higgs dans la région cinématique dominée par le processus ggF, avec une catégorie VBF supplémentaire introduite pour améliorer la sensibilité à k2V. L'utilisation des résultats du MVA comme discriminants a permis des améliorations significatives par rapport aux données existantes : une augmentation de 17% de la sensibilité sur μHH, et des augmentations de 11,9% et 19,8% des intervalles de confiance à 95% pour κλ et κ2V, respectivement. Nous présentons également la combinaison HH+H pour conclure sur la partie di-Higgs de la thèse. Cette combinaison incorpore les canaux di-Higgs primaires avec des observables Higgs produit seul, pour imposer des contraintes strictes sur les modificateurs de couplage clés, en particulier kl et klambda. Dans la dernière partie de la thèse, nous passons à l'examen minutieux des modes de désintégration du boson de Higgs dans le domaine de la physique BSM, en ciblant spécifiquement les LLP. À cette fin, des algorithmes d'apprentissage automatique de pointe, tels que les réseaux neuronaux convolutifs (CNN) et les réseaux neuronaux graphiques (GNN), sont déployés pour l'analyse directe des données brutes provenant du détecteur, ce qui améliore considérablement l'efficacité de la sélection des signaux attendus. Par exemple, dans le cas d'un LLP de 50 GeV avec une durée de vie de 1 ns, l'efficacité attendue du signal atteint 99%. Cette recherche permet d'obtenir une limite supérieure de 4 x 10-6 pour le rapport de branchement du Higgs se désintégrant en LLP dans l'hypothèse de 10+6 Higgs produits avec 5.6 fb-1 de données produits au CEPC ce qui est nettement supérieur à la limite supérieure de 10-3 actuellement établie par ATLAS et CMS. Pour les LLP dont la durée de vie est supérieure à 1 ns, l'analyse donne une limite supérieure attendue qui est d'un ordre de grandeur meilleur que les résultats attendus au collisionneur linéaire international.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04874807 , version 1 (08-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04874807 , version 1

Citer

Yulei Zhang. Constraints on the Higgs self-coupling at the LHC with √s = 13 TeV and long-lived particles searches with a future lepton collider. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Université Paris Cité; Shanghai Jiao Tong University, 2023. English. ⟨NNT : 2023UNIP7357⟩. ⟨tel-04874807⟩
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