Search for neutral Higgs bosons in e_1hn+e_1hn--collisions [Elektronische Ressource] / von Alexei Raspereza

Alexei Raspereza

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2002
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

+ −Search for Neutral Higgs Bosons in e e Collisions
D I S S E R T A T I O N
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at I
Humboldt-Universit¨at zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Alexei Raspereza
geboren am 7.12.1972 in Brest, Weissrussland
Pr¨asident der Humboldt-Universit¨at zu Berlin:
Prof. Dr. J. Mlynek
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at I:
Prof. Dr. Ronacher
Gutachter:
1. Prof. Dr. Eva-Maria Kabuss
2. Prof. Dr. Thomas Hebbeker
3. Prof. Dr. Peter Zerwas
eingereicht am: 30. M¨arz 2002
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 12. Juli 2002Abstract
This thesis is devoted to the search for neutral Higgs bosons predicted by various the-
oretical models. The Higgs boson arises as a result of spontaneous breaking of SU(2)
symmetry leading to the generation of masses of fermions and weak bosons. The search
is done in all experimentally related channels using the data collected at center-of-mass
√
energies sup to 209 GeV in the years 1998-2000 with the L3 detector at the Large
Electron Positron collider, LEP. Here the study of the final states characterised by four
jets is described in detail. For other final states the analyses are briefly reviewed and the
results are reported. The data are compared with the expectation from the Standard
Model background processes and with various signal hypotheses. A model independent
search for neutral Higgs bosons is also performed. No evidence for the production of
Higgsbosonsisfound.Newmasslimitsaredeterminedsupersedingpreviousmasslimits
established by L3 and other experiments.
First I describe the analysis searching for the Standard Model Higgs Boson. Its pro-
+ − ∗duction at LEP is expected mainly via the Higgs-strahlung process, e e → Z → HZ.
In the mass range accessible at LEP the Standard Model Higgs Boson is predicted to
decay dominantly into a pair of b and anti-b quarks, hence the dedicated analyses are
¯optimisedfortheH→ bb decaymode.TheHZ→ qqq¯ q¯channelisinvestigatedandthen
+ − + −combined with the HZ→ qq¯νν¯, HZ→ qq¯‘ ‘ (‘ =e,μ,τ) and HZ→τ τ qq¯ channels
leading to a lower mass limit of
m > 112.0 GeVH
at 95 % C.L.. The results of the search are also interpreted in terms of limits on the
HZZ coupling.
In the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) the Higgs sector is ex-
+ −tended to five physical states. The Higgs-strahlung process e e → hZ is complemented
+ −by the mechanism of the Higgs boson pair production e e → hA . Therefore, for the
interpretationoftheresultsintheframeworkoftheMSSMtheStandardModelanalyses
+ − + −¯ ¯ ¯ ¯are combined with the hA→ bbτ τ (hA→ τ τ bb ), hA→ bbbb and hZ→ AAqq¯
channels. Three benchmark MSSM scenarios denoted “m −max”, “no mixing” andh
“large-μ” are considered. Using L3 data the lower bounds on the Higgs boson masses
m > 84.5 GeV, m > 86.3 GeVh Aii
arederivedat95%C.L.fortanβ >0.7.Forthe“m −max”,“nomixing”and“large-μ”h
scenarios, ranges 0.55≤ tanβ≤ 2.2, 0.4≤ tanβ≤ 4.9 and 0.7≤ tanβ≤ 6.2, respec-
tively, are ruled out.
+ −A model independent search for the e e → hZ process with subsequent decay of
h into hadrons is carried out in the four-jet channel. The results of the analysis are
+ −then combined with the hZ→ qq¯νν¯ and hZ→ qq¯‘ ‘ (‘ =e,μ,τ) channels. A limit on
the hZZ coupling as a function of the Higgs boson mass is derived. The results of L3
combined search establish a 95% C.L. lower mass limit
m >97GeVh
+ −for a hadronically decaying Higgs boson assuming the cross section of the e e → hZ
process to be equal to the value predicted by the Standard Model and the branching
fraction of the Higgs boson into hadrons equal to 100%.
0 0¯ ¯Analyses are developed to search exclusively for the hA→ bbbb, hA→ qqq¯ q¯,
+ − + −¯hA→ bbτ τ and hA→ qq¯τ τ final states. Results of these analyses are translated
into a 95 % C.L. upper limit on the hAZ coupling as a function of Higgs boson masses.
Searches for neutral Higgs bosons carried out by the L3 collaboration are combined
with searches performed in other LEP experiments. The results of this combination are
reported.
The perspectives of Higgs boson searches at TEVATRON and LHC are briefly re-
viewed.
+ −The prospects of Higgs physics at a future linear e e collider are discussed.
The potential of the TESLA detector foreseen at the TESLA linear collider for the
determination of Higgs boson properties is studied. The Higgs boson masses m =H
120, 150 and 180 GeV are considered. It is shown that a precision of 40 - 70 MeV
in the measurement of the Higgs boson mass can be achieved. A model independent
+ −method to measure the e e → HZ cross section is proposed. The method is based on
+ −the study of the inclusive HZ→ X‘ ‘ (‘ =e,μ) channels. The relative error in the
determination of the cross section varies between 2.6% and 3.8% for m ranging fromH
120 GeV to 180 GeV. For the four-fermion and six-fermion final states arising from
+ −the e e → HZ process the accuracy of the measurement of a topological cross section
+ −defined as the product of the e e → HZ cross section and the branching fraction of
the specific final state is investigated. The relative uncertainty of this measurement
¯varies from 1.1% for the HZ→ bbqq¯ channel at m = 120 GeV to 13.0% for theH
+ − + − 0HZ→ W W ‘ ‘ (‘ =e,μ;W→ qq¯) channel at m = 120 GeV. These and otherH
measurements will allow to determine the profile of the Higgs boson and give insight
into the structure of the Higgs sector in nature.
Keywords:
Standard Model, Higgs bosons, Minimal Supersymmetric Standard Model, SearchesZusammenfassung
DieseArbeitbeschreibtdieSuchenachdemHiggsBoson,welchesinvielentheoretischen
ModellenderTeilchenphysikvorhergesagtwird.DasHiggsBosonistdieKonsequenzder
spontanen Symmetriebrechung, welche den Teilchen Masse verleiht. Zur Suche werden
+ −e e Annihilationen bei Schwerpunktenergien bis 209 GeV analysiert, welche vom Ex-
periment L3 am Speicherring LEP in den Jahren 1998 bis 2000 registriert wurden. Die
Suche erfolgte in allen relevanten Endzustanden,¨ wobei der Endzustand mit vier hadro-
nischen Jets im Detail behandelt wird.
Die Daten werden mit den Erwartungen eines Signals in verschiedenen Modellen bei
Berucksichtigung der bekannten Untergrundprozesse verglichen oder es wird modellun-¨
abhang¨ ig nach der Erzeugung skalarer Teilchen gesucht.
DieProduktionvonHiggsBosonenkonntenichtnachgewiesenwerde.DieDatenwur-
den daher benutzt, um neue Grenzen fur Parameter der Modelle oder der Kopplungen¨
zu setzen.
Als erstes wird die Suche nach dem Higgs Boson im Standard Modell der elek-
troschwachen Wechselwirkung beschrieben. Die Produktion des Higgs Bosons wird bei
+ − ∗LEP Energien uber die Higgs-Strahlung, e e → Z → HZ, und der Zerfall des Higgs¨
¯Bosons in ein Paar von b-Quarks, H→ bb , vorhergesagt. Die Analysen beruhen daher
wesentlich auf der Erkennung von B-Hadronen. Der HZ→ qqq¯ q¯ Endzustand wird im
Detail untersucht, und die Ergebnisse werden mit den anderen Kan¨alen HZ→ qq¯νν¯,
+ − + −HZ→ qq¯‘ ‘ (‘ =e,μ,τ) and HZ→τ τ qq¯ kombiniert. Die untere Massengrenze fur¨
das Higgs Boson wird zu
m > 112.0 GeV,H
auf95%Vertrauensniveau,bestimmt.AusserdemwerdenGrenzenaufdieHZZKopplung
abgeleitet.
Im minimalen supersymmetrischen Modell (MSSM) werden funf Higgs Bosonen¨
vorhergesagt. Zur Higgs-Strahlung kommt die Paarproduktion von Higgs Bosonen,
+ −e e → hA , hinzu. Die Ergebnisse der Suche im Standard Modell werden durch die
+ − + −¯ ¯ ¯ ¯Suche in den Endzustanden¨ hA → bbτ τ (hA → τ τ bb ), hA → bbbb und
hZ→ AAqq¯erganzt.¨ ImRahmenvondreiStandard-Szenarien,benanntals“m −max”,h
“no mixing” und “large-μ” werden untere Grenzen auf die Higgs Boson Massen von
m > 84.5 GeV, m > 86.3 GeVh Aiv
fur¨ tanβ >0.7abgeleitet.Weiterhinwerdenim“m −max”Szenario0.55≤ tanβ≤ 2.2,h
im “no mixing” Szenario 0.4≤ tanβ≤ 4.9 und im “large-μ” Szenario 0.7≤ tanβ≤ 6.2
ausgeschlossen.
+ −Eine modellunabhangige Suche nach dem Prozess e e → hZ wird fur den vier-¨ ¨
Jet Endzustand durchgefuhrt.¨ In Kombination mit den Ergebnissen von den anderen
+ −Kan¨alen,hZ→ qq¯νν¯ undhZ→ qq¯‘ ‘ (‘ =e,μ,τ) ,werdenGrenzenfur¨ diehZZKopp-
lung bestimmt. Wird die hZZ Kopplung auf den Wert im Standard Modell gesetzt und
der Zerfall des Higgs Bosons zu 100% in Hadronen angenommen, ergibt sich als Grenze
der Higgs Boson Masse
m > 97 GeV.h
Modellunabhangige obere Grenzen fur die hAZ Kopplung werden aus der Su-¨ ¨
0 0 + −¯che nach der Paarerzeugung von Higgs Bosonen in hA→ qqq¯ q¯, hA→ bbτ τ und
+ −hA→ qq¯τ τ in Abhang¨ igkeit von den Higgs Boson Massen abgeleitet.
Die Resultate aus der Kombination aller LEP Experimente werden fur die oben¨
genannten Analysen vorgestellt.
Die Perspektiven der Higgs Boson Suche an den TEVATRON und LHC Speicherrin-
+ −gen werden diskutiert und die Higgs Boson Physik an kunftigen¨ e e Linearbeschleu-
nigern behandelt. Ein Linearbeschleuniger wie TESLA ware ideal fur Untersuchungen