Messung der Kopplung des Higgs-Bosons an τ

Messung der Kopplung des Higgs-Bosons an τ -Leptonen im
Zerfall H → τ τ → 2l4ν mit dem ATLAS Detektor
Alena Lösle
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Eine der wichtigsten Aufgaben der Experimente am Large Hadron Collider (LHC) ist es,
zu überprüfen, ob das im Juli 2012 entdeckte Higgs-Boson [1,2] in seinen Eigenschaften
den Vorhersagen des Standardmodels (SM) entspricht. Hierbei ist unter anderem von
Bedeutung, wie sich die Kopplung des Higgs-Bosons an andere Teilchen verhält. Der
Zerfall in zwei τ -Leptonen H → τ τ ermöglicht es, die Kopplung des Higgs-Boson an
Fermionen zu untersuchen.
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Basierend auf Daten, die in Run 1 bei Schwerpunktsenergien von s = 7 TeV und s = 8
TeV mit integrierten Luminositäten von jeweils 4.5 fb−1 und 20.3 fb−1 aufgenommen
wurden, konnte die Kopplung des Higgs-Bosons an τ -Leptonen mit einer beobachteten
(erwarteten) Signifikanz von 4.5 (3.4) Sigma mit dem ATLAS-Detektor gemessen werden [3]. Die gemessene Signalstärke von µ = 1.43+0.43
−0.37 , definiert als das Verhältnis von
gemessenem Wirkungsquerschnitt zu SM Wirkungsquerschnitt µ = σM es /σSM , stimmt
hierbei mit den Vorhersagen des SM überein.
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Die aktuelle Datennahme in Run 2 bei einer Schwerpunktsenergie von s = 13 TeV
ermöglicht es, den Prozess H → τ τ noch genauer zu untersuchen.
Ein τ -Lepton kann sowohl leptonisch, in Elektronen oder Myonen, als auch hadronisch
zerfallen. Somit können im Zerfallskanal H → τ τ drei Endzustände klassifiziert werden: der voll-leptonische, der semi-leptonische und der voll-hadronische Endzustand. In
meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit der Analyse des voll-leptonischen Endzustandes H → τ τ → 2l4ν. Obwohl dieser Kanal die geringste Zerfallswahrscheinlichkeit
aufweist, profitiert er von hohen Effizienzen der Lepton-Trigger und geringere Untergrundbeiträge durch Multijet-Produktion im Vergleich zu den semi-leptonischen und
voll-hadronischen Endzuständen.
In der Analyse des voll-leptonischen Kanals wird nach einem Endzustand mit zwei Leptonen und fehlender transversaler Energie durch die beteiligen Neutrinos gesucht. Hierbei
ist ein wichtiger Untergrundbeitrag durch Prozesse mit fehlidentifizierten oder nichtprompten Leptonen, so genannte fake Leptonen, gegeben. Da für diese Prozesse Simulationen keine ausreichend präzise Beschreibung liefern, muss der fake Untergrund mit
Hilfe von datenbasierten Methoden abgeschätzt werden. Ich beschäftige mich mit der
Abschätzung des fake Untergrundes mithilfe der Matrix Methode, die auf der Messung
von Effizienzen für reale und fake Leptonen in Daten basiert. Hierbei werden Unterschiede in der Identifikation von realen und fake Leptonen genutzt, indem zwei Kategorien
mit unterschiedlichen Selektionsanforderungen an die Leptonen betrachtet werden: Die
erste Kategorie, genannt harte Kategorie, entspricht der nominellen Lepton-Selektion,
während die zweite Kategorie, die sogenannte lose Kategorie, schwächere Anforderungen
an die Selektion der Leptonen stellt. Die harte Kategorie enthält hauptsächlich Ereignisse
mit realen Leptonen, während die lose Kategorie einen erhöhten Beitrag von Ereignissen
mit fake Leptonen aufweist. Die Effizienz für reale (fake) Leptonen ist dann definiert
als der Bruchteil von Ereignissen mit realen (fake) Leptonen der losen Kategorie, die
zusätzlich den Anforderungen der harten Kategorie genügen. Die Effizienz für reale Leptonen wird mit Hilfe einer tag-and-probe Methode in Z → ee, µµ Ereignissen gemessen,
während die Effizienz für fake Leptonen in einem Datensatz mit zwei gleich geladenen
Leptonen bestimmt wird, welcher durch Ereignissen der Multijet-Produktion dominiert
ist. Mit Hilfe der Matrix Methode können somit Untergrundbeiträge durch Prozesse mit
mindestens einem fake Lepton abgeschätzt werden.
In meinem Vortrag stelle ich die H → τ τ Analyse im voll-leptonischen Endzustand vor
und gehe hier besonders auf die Abschätzung des fake Untergrundes ein. Im Anschluss
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werden erste Ergebnisse der Analyse bei s = 13 Te mit einer integrierten Luminosität
von mindestens 8.3 fb−1 aus den Jahren 2015 und 2016 mit dem ATLAS-Detektor vorgestellt.
[1] ATLAS Collaboration, Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys. Lett. B716 (2012),
arXiv:1207.7214 [hep-ex].
[2] CMS Collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS
experiment at the LHC, Phys. Lett. B716 (2012), arXiv:1207.7235 [hep-ex].
[3] ATLAS Collaboration, Evidence for the Higgs-boson Yukawa coupling to tau leptons
with the ATLAS detector, JHEP 04 (2015), arXiv:1501.04943 [hep-ex]