Observation of the Higgs boson and measurement of its properties in the HWW* channel with the ATLAS detector at the LHC

par Yichen Li

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Zhiqing Zhang et de Shenjian Chen.

Le président du jury était Yuanning Gao.

Le jury était composé de Zhiqing Zhang, Shenjian Chen, Yuanning Gao, Christinel Diaconu, Haijun Yang, Yeuk-kwan Edna Cheung.

Les rapporteurs étaient Christinel Diaconu, Haijun Yang.

  • Titre traduit

    Observation du boson de Higgs et mesure de ses propriétés dans le canal HWW*avec le détecteur ATLAS au LHC


  • Résumé

    Le boson de Higgs dans le mode de désintégration WW* est observé avec un excès d'événements sur le bruit de fond de 6,1 écarts-types dans l'état final avec dilepton, alors que l’importance du signal attendu pour le boson de Higgs du modèle standard est de 5,8 écarts-types. Une indication pour la production du processus en fusion de bosons vecteurs (VBF) est également obtenue avec une importance de 3,2 écarts-types. Les résultats sont obtenus à partir d'un échantillon de données en collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS au LHC, qui correspond à une luminosité intégrée de 4,5fb-1 à √s = 7 TeV et 20,3fb-1 à √s = 8 TeV. Tous les canaux de saveur leptonique (ee/μμ et eμ/μe)) sont analysés, y compris de différentes catégories en multiplicité de jets (nj = 0, 1,≥ 2). Les canaux ayant différentes saveurs leptoniques eμ/μe ont la meilleure sensibilité au signal. Les catégories à basse multiplicité de jet sont contribuées principalement par la production du processus en fusion de gluon-gluon (ggF), tandis que la catégorie à haute multiplicité est plus sensible à la production VBF. Les bruits de fond dans différents canaux et catégories varient et leurs contributions sont obtenues dans la plupart de cas à partir des données avec des régions de contrôle ou validation. Les bruits de fond dominants sont les productions WW et le quark top. Dans les canaux ayant la même saveur leptonique, la contribution Drell-Yan est aussi une autre source importante. Pour le boson de Higgs à 125,36GeV, le rapport du signal mesuré sur celui du modèle standard est de 1,09+0,16-0,15 (stat.) +0,17-0,14 (syst.). Les rapports correspondants pour les productions ggF et VBF sont de 1,02±0, 19 (stat.) +0,22-0,18 (syst.) et 1,27+0,44-0,40 (stat.) +0,30-0,21 (syst.), respectivement. La section efficace totale mesurée à √s = 8 TeV est de σ(gg → H → WW∗) =8TeV est de σ(gg → H → WW∗) et σ(VBFH → WW∗) = 0,51+0,17−0,15 (stat.)+0,13−0,08 (syst.) pb. La section efficace fiducielle est aussi mesurée pour la production ggF dans l'était final exclusif avec zéro ou un seul jet. En plus des couplages, d'autres propriétés du boson de Higgs, notamment le nombre quantique de spin et la largeur totale de désintégration, sont également étudiées en utilisant les données de 8TeV et les canaux ayant différentes saveurs leptoniques seulement. L'étude du spin est basée sur un échantillon de données dominé par les événements sous le pic de résonance en utilisant les catégories de jet nj ≤ 1. L'hypothèse sur le spin-parité JCP = 0++ du modèle standard est comparée à d'autres hypothèses. Les données sont compatibles avec le modèle standard et les limites sont placées sur des hypothèses alternatives de spin. Les événements dans la queue hors pic de résonance à haute masse dans la catégorie inclusive de jet sont ensuite utilisés pour mesurer les couplages du boson de Higgs hors de sa couche de masse et pour imposer une contrainte sur la limite supérieure de la largeur totale du boson de Higgs, lorsque certaines hypothèses sont faites


  • Résumé

    The Higgs boson decays to WW* is observed based on an excess of events over background of 6.1 standard deviations in the dilepton final state including all flavour channels (ee/μμ and eμ/μe) and jet multiplicity categories (nj = 0, 1,≥ 2), where theStandard Model expectation is 5.8 standard deviations. Evidence for thevector-boson fusion (VBF) production process is also obtained with a significance of3.2 standard deviations. The different favour channels eμ/μe have the best expected signal sensitivity. The low jet multiplicity categories are dominantly contributed by the gluon-gluon fusion (ggF) production process whereas the large jet multiplicity category has the best sensitivity to the VBF production process. The results are obtained from proton-proton collision data recorded by the ATLAS detector at the LHC, corresponding to 4.5fb-1 at √s = 7TeV and 20.3fb-1 at √s = 8TeV. The background contribution in each channel and jet multiplicity category varies and is determined mostly with data-driven techniques with dedicated control or validation regions. The dominant background processes are the continuum WW and top quark productions. In the same flavour channels (ee/μμ), the Drell-Yan process is another important background source. For a Higgs boson mass of 125.36GeV, the ratio of the measured value to the expected value of the total production cross section times branching ratio fraction is 1.09+0.16-0.15 (stat.) +0.17-0.14 (syst.). The corresponding ratios for the gluon fusion and vector-boson fusion production modes are 1.02 ± 0.19 (stat.)+0.22−0.18 (syst.) and 1.27+0.44-0.40 (stat.) +0.30-0.21 (syst.), respectively. At √s = 8TeV, the total production cross section is measured to beσ(gg → H → WW∗) = 4.6±0.9 (stat.)+0.8−0.7 (syst.) pb σ(VBFH → WW∗) = 0.51+0.17−0.15 (stat.)+0.13−0.08 (syst.) pb. The fiducial cross section is determined for the gluon-fusion process in exclusive final states with zero and one associated jet. In addition to the on-shell couplings, other properties of the Higgs boson, namely the spin quantum number and the total decay width, are also studied using the 8TeV data and the different flavour channels only. The spin study is based on the on-shell dominated event sample using the nj ≤ 1 jet categories. The Standard Model spin-parity JCP = 0++ hypothesis is compared with alternative hypotheses. The data are found to be consistent with the Standard Model and limits are placed on alternative spin hypotheses.The off-shell events in the high mass tail from the inclusive jet category are then used to measure the off-shell couplings and impose a constraint on the upper limit of the total width of the Higgs boson indirectly, when certain assumptions are made.


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