• composite Higgs
• heavy resonances
• spin 1
• subjettiness
• ZH

Questa tesi presenta un’analisi dati effettuata all’interno dell’esperimento CMS nell’ambito della ricerca di nuova fisica. Si studia la possibile esistenza di nuove particelle di spin 1 molto massive (dell’ordine del TeV) nel canale di decadimento ZH, ovvero con una Z e un bosone di Higgs nello stato finale. L’esistenza di queste nuove risonanze è supportata da numerosi e modelli teorici. In questo lavoro verrà preso come scenario di riferimento il a modello di composite Higgs. Quest’ultimo suppone che il bosone di Higgs non sia una particella elementare ma sia composta da sottostrutture che appartengono a un settore che va oltre il modello standard e che interagiscono attraverso una nuova forza. Questo nuovo settore, che può essere visto
come una copia eccitata dello standard model, avrebbe delle proprie costanti di accoppiamento, molto maggiori degli accoppiamenti tipici del modello standard, e, attraverso un meccanismo di mescolamento tra i due settori, le particelle dello SM avrebbero la possibilità di interagire con queste nuove a particelle. Il modello teorico prevede poi che gli accoppiamenti con questi
nuovi stati siano fortemente dipendenti dalla massa delle particelle, quindi i decadimenti in coppie di bosoni del modello standard (WW, ZH, WH) sono favoriti rispetto a coppie di quark o leptoni. In particolare in questo lavoro di tesi viene studiato il canale in cui laZ decade leptonicamente (in elettroni o muoni), mentre il bosone di Higgs viene osservato nel canale adronico (coppie di quark b e c e di gluoni). Questa strategia comporta un branching ratio finale intorno al 5 % ma permette una precisa selezione nel ramo della Z, essendo i due leptoni facilmente identificabili sia a livello di trigger che a livello di ricostruzione. Infatti, i dati utilizzati, che corrispondono ai 19,8 fb inversi raccolti nel 2012, sono stati selezionati con un trigger su coppie di elettroni o muoni senza alcuna richiesta sull’isolamento dei candidati ricostruiti. La selezione del decadimento adronico dell’Higgs è invece più complessa ed avviene durante la selezione off-line. Una delle particolarità di questa analisi è proprio la topologia degli eventi di segnale, infatti, studiando un range di massa invariante compreso all’incirca tra 1 e 2 TeV, i decadimenti della Z e dell’Higgs presentano una struttura molto collimata (boosted). Questo comporta la necessità di ridefinire l’isolamento per la ricostruzione dei leptoni, per cui per ciascun elettrone o muone vengono escluse tutte le tracce legate al secondo leptone. Per quanto riguarda il decadimento dell’Higgs i due partoni, sottoposti ai meccanismi di adronizzazione, confluiscono in un unico jet di dimensione maggiore. Di conseguenza nell’analisi verrà richiesta la presenza di almeno un jet ricostruito con l’algoritmo Cambridge-Aachen con un parametro di distanza angolare pari a0,8 radianti. Essendo questa una ricerca di nuova fisica, è fondamentale conoscere al e meglio le predizioni del modello standard negli stati finali da noi considerati. I fondi da considerare sono tutti quei processi che prevedono le presenza di due leptoni e un jet nello stato finale. La componente dominante è data dalla produzione di una Z con associata l’emissione di un jet da QCD, gli altri background considerati sono la produzione di coppie di bosoni (ZZ, WZ e WW) e coppie di top. Tutti questi processi sono riprodotti attraverso una simulazione montecarlo (Madgraph o Pythia), così come 13 campioni per il segnale, di massa compresa tra gli 800 e i 2000 GeV ad intervalli di 100 GeV. La prima parte del lavoro è focalizzata sullo studio delle simulazioni MC e a livello del generatore e delle variabili che meglio discriminano il segnale dal
fondo. La prima quantità utile da osservare è la massa del jet, infatti i jet che provengono dal decadimento di un bosone di Higgs presentano una massa invariante intorno al valore nominale della massa dell’Higgs, mentre i jet da QCD hanno generalmente masse molto più basse. Un secondo strumento consiste nello studiare le sottostrutture all’interno del jet per distinguere la topologia del decadimento di un oggetto pesante in due partoni da quella di un jet di QCD che evolve con radiazione tipicamente collineare. Nella seconda parte si procede con l’analisi dati vera e propria, vengono descritte tutte le variabili prese in considerazione e i relativi tagli (pT ed η dei leptoni e dei bosoni ricostruiti, isolamento, ecc.) con particolare attenzione alla determinazione della regione di segnale e delle sideband selezionate in modo adeguato in funzione della massa del jet. Si applica poi una categorizzazione sulla discriminante ottenuta studiando le sottostrutture del jet, così da massimizzare la sensitività dell’analisi cercando di non perdere efficienza. Per l’esatta predizione del fondo da SM viene utilizzata una procedura data-driven e in seguito a tutte le selezioni dell’analisi si ottiene una predizione sul numero di eventi di segnale intorno a qualche unità (tra i 3 e i 5
eventi, in funzione della massa e per una sezione d’urto di riferimento di 1 fb) rispetto all’ammontare totale del fondo compreso tra i 45 e i 2 eventi rispettivamente per 800 e 2000 GeV di massa. Procedendo con l’unblinding dei dati non si riscontra nessuna deviazione dalle predizioni del modello standard, per cui si può concludere soltanto ponendo un limite superiore alla sezione d’urto di produzione pp → ZH con
un intervallo di confidenza del 95 %. Il limite ottenuto è compreso tra gli 80 e i 10 fb rispettivamente nel range [950, 2000] GeV che è stato possibile esplorare con questa analisi.
Questo limite è potenzialmente migliorabile con l’indroduzione di nuovi strumenti all’interno di questa analisi. In primo luogo l’applicazione di una richiesta relativa al b-tagging sulle sottostrutture ricostruite all’interno del jet può aiutare l’esclusione del fondo, in secondo luogo la possibile estensione a nuovi canali di decadimento dell’Higgs aumenterebbe la statistica e, di conseguenza, le potenzialità dell’analisi. Infatti, includendo anche i canali H → ZZ e H → W W in cui entrambi i bosoni di gauge decadono in modo completamente adronico, si riuscirebbe a raccogliere circa il 22% degli eventi di segnali in più. A questo scopo, però, è necessario uno studio più dettagliato della sottostruttura del jet in quanto i nuovi eventi presenterebbero una struttura quadripolare.