Kinematic tau reconstruction and search for the Higgs boson in hadronic tau pair decays with the CMS experiment [Elektronische Ressource] / Lars Perchalla

Lars Perchalla

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Kinematic Tau Reconstruction and Search
For The Higgs Boson in Hadronic Tau Pair
Decays with the CMS Experiment
Von der Fakultat¨ fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der Rheinisch-
Westfalischen¨ Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Lars Perchalla
aus Lindlar
Berichter: Universitatsprof¨ essor Dr. rer. nat. Achim Stahl
¨Universitessor Dr. rer. nat. Stefan Schael
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 11.05.2011
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨ .Zusammenfassung
Die vorliegende Dissertation behandelt die Suche nach dem Higgs-Boson, welches im Stan-
dardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird. Hierzu werden im Rahmen
einer Monte Carlo-Simulation die Nachweismoglichkeiten¨ des Zerfalls in Taupaare mit dem
CMS Experiment untersucht. Zwei separate Selektionen fur¨ die beiden dominanten Pro-
duktionskanale,¨ die Gluon- und die Vektorboson-Fusion, werden fur¨ leichte Higgs-Bosonen
entwickelt.
Beide Selektionen berucksichtigen¨ ausschließlich Tauzerfalle,¨ in denen drei geladene Pio-
nen entstehen. Effiziente Algorithmen werden entwickelt, um diese Zerfallsprodukte in den
Hadron-Kollisionen am LHC zu identifizieren.
Mit Hilfe einer kinematischen Rekonstruktion, die die spezielle Topologie des Tauzerfalls
berucksichtigt,¨ lasst¨ sich der vollstandige¨ Impuls des Tau-Leptons inklusive des Neutrinos
berechnen. Die rekonstruierten Observabeln werden Qualitatskriterien¨ unterzogen, die fur¨
¨ ¨einen umfassenden Energiebereich der Tau-Leptonen gultig sind. Dies ermoglicht eine ef-
fiziente Unterdruckung¨ von Quark- und Gluon-Jets, die Tauzerfalle¨ imitieren.
Aus Paaren von Tau-Leptonen, die diese Anforderungen erfullen,¨ lassen sich Higgs-Bosonen
rekonstruieren. Die unterschiedlichen kinematischen Eigenschaften der behandelten Pro-
duktionskanale¨ werden zur weiteren Abtrennung des Signals von Untergrunden¨ herange-
0zogen. Die Massenverteilung desZ -Bosons weist weite Auslaufer¨ bis in den Massenbereich
des untersuchten Signals auf. Diese lassen sich im Falle der Gluon-Fusion nicht von Higgs-
Bosonen unterscheiden. Bei der Erzeugung durch Vektorboson-Fusion entstehen zusatzliche¨
Quark-Jets, die zusammen mit dem deutlichen Transversalimpuls des Higgs-Bosons eine
klare Signatur zur Abtrennung aller Untergrunde¨ liefern.
Fur¨ die untersuchten Produktionsprozesse wird die Signifikanz der Selektionen diskutiert,
1die mit einer integrierten Luminositat¨ von 30 fb erreicht werden kann.Abstract
The thesis prepares a search for the Standard Model Higgs boson in the di-tau channel with
the CMS experiment. Based on Monte Carlo simulations, two selections are developed for
light Higgs bosons produced by the dominant processes, gluon fusion and vector-boson fu-
sion.
Both selections exclusively consider the hadronic tau decay into three charged pions. They
rely on an efficient algorithm to identify the tau decay products within the hadronic environ-
ment at the LHC.
A kinematic fit exploits the topology of the particular decay mode and enables the recon-
struction of the entire tau momentum including the neutrino. A set of quality criteria is
defined on the obtained observables, which is valid for a broad range of tau energies. This
provides an efficient suppression of quark and gluon jets that fake tau decays.
The Higgs boson is reconstructed from pairs of tau leptons that pass the quality require-
ments. The selections derive further background suppression from the event kinematics. In
0case of the gluon fusion, the selected sample is dominated by off-shell Z bosons that decay
into tau pairs. The vector-boson fusion involves two additional quark jets. Their signature
and the significant transversal momentum of the Higgs boson allow for a background-free
selection.
1The significance of both selections is discussed for an integrated luminosity of 30 fb .Contents
1. Introduction 1
1.1. The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. The Higgs Mechanism in the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2. Basic Properties of the Standard Model Higgs Boson . . . . . . . . . . 4
1.1.3. The MSSM Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4. Searches for the Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2. The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1. The Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2. Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.3. Vertexuction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4. Data Acquisition and Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4. Event Reconstruction Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1. Monte Carlo Event Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2. Detector Simulation and Digitization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.3. Event Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.4. LHC Computing Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2. Kinematic Reconstruction of Tau Leptons 23
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2. Kinematics of Multi-Prong Tau Lepton Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1. Tau Lepton Decay Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2. Kinematic Calculation of the Tau Momentum . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3. Accessible Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3. Least Mean Squares Minimization with Lagrange Multipliers . . . . . . . . . 35
2.3.1. Basic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2. Iterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3. Unmeasured Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4. Kinematic Fit of Tau Leptons on Monte Carlo Level with CMS . . . . . . . . . 37
2.4.1. Standard Tau Reconstruction at CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2. Kinematic Fit Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3. Quality Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.4. Monto Carlo Truth Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.5. Efficiency of the Kinematic Tau Lepton Identification . . . . . . . . . . 52
iii Contents
2.4.6. Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5. Technical Implementation in the CMS Software Framework . . . . . . . . . . 58
2.5.1. TheInputTrackSelector and theThreeProngInputSelector 60
2.5.2. TheKinematicTauCreator and theThreeProngTauCreator . . 60
2.5.3. TheKinematicTauProducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3. Higgs Boson Reconstruction from Hadronic Tau Pair Decays 63
3.1. Datasets and Expected Event Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.1. Signal-like Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.2. Background Pr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2. Event Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1. Higgs Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2. Tau Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.3. Kinematics of Single Tau Leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.4. of Quarks from VBF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.5. Background Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3. Selection Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4. Event Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5. Object Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.1. Tau Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.2. Assumptions on Backgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.3. Jet Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6. Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.1. of Vector Boson Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.2. Selection of Gluon Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.3. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7. Invariant Mass of the Tau Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.8. Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.9. Signal Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.9.1. Possible Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4. Summary and Outlook 109
A. Ap