Search for the standard model Higgs boson in the H- WW- 2l2v channel with the CMS experiment

Resumen

En esta tesis se presenta la búsqueda del bosón de Higgs en el canal H ->WW-> 2l2nu que ha llevado a su observación. Los datos utilizados corresponden a toda la luminosidad recogida durante 2011 y 2012 por el detector CMS en el acelerador LHC. El análisis que se presenta es el resultado de años de optimización y estudios exhaustivos siempre adaptándose a las cambiantes condiciones y a los diferentes escenarios de CMS. Para confirmar la existencia de nueva física es necesario observar un exceso de al menos 5 sigma. En Julio de 2012 se anunció la observación de una nueva partícula, potencialmente el bosón de Higgs, con una masa de alrededor de 125 GeV/c2 con una significancia de 5 sigmas Este resultado de extrema relevancia se ha logrado combinando los resultados de esta tesis con otros cuatro canales en CMS: gamma gamma, ZZ, tau tau y bb. La significancia local en el canal H -> WW en el momento de la observación para un bosón con una masa de 125 GeV/c2 era de 1.6 sigmas. La observación de esta nueva partícula tuvo lugar a mediados del año 2012 usando toda la luminosidad correspondiente al año 2011 (5.1 fb-1) y 5.3 fb-1 del año 2012. Esto corresponde a menos de la mitad de la luminosidad total recogida por CMS al final de 2012. El resultado presentado en esta tesis corresponde a la búsqueda del Higgs del modelo estándar en el canal H->WW utilizando toda la luminosidad tanto a 7 TeV como a 8 TeV (unos 25 fb-1). La estrategia del análisis ha cambiado entre 2011 y 2012. Durante la mayor parte del año 2011 el principal objetivo era reducir al máximo la ventana de masa del bosón de Higgs, excluyendo el mayor rango de masa posible. Tras los primeros indicios de nueva física a finales de 2011 la estrategia de análisis se modificó de cara a optimizar la sensibilidad del canal para la zona de baja masa. El canal H -> WW presenta un estado final con dos leptones aislados de alto momento transverso (pT) y un valor elevado de energía inversa faltante (ETmiss) debido a que los neutrinos escapan a la detección. Los sucesos están clasificados en tres categorías diferentes dependiendo del número de jets con alto pT en el estado final. Para cada categoría los sucesos se dividen según tengas leptones con el mismo sabor (mumu y ee) o leptones con diferente sabor (emu y mue). El fondo de top es reducido principalmente aplicando dos tipos diferentes de veto al quark b: uno basado en la larga vida media de dichos quarks y otro basado en la presencia de muones provenientes de la desintegración del quark b (softmuons). El fondo de Drell-Yan se reduce drásticamente eliminando la ventana de masa invariante correspondiente a la masa del bosón Z y aplicando un corte duro en la ETmiss para los sucesos con leptones del mismo sabor. El fondo de WW es irreducible pero puede ser controlado con una serie de cortes optimizados en función del valor de mH. La principal variable discriminante para reducir este fondo es el ángulo entre los dos leptones seleccionados en el plano transverso. Este observable físico tiende a ser pequeño en el caso de la señal y grande en el caso del fondo de WW debido a correlaciones de spin. Los principales fondos de este análisis (W+jets, top, DY and WW) se estiman con métodos basados directamente en los datos. El resultado final para el análisis a 7 TeV y 8 TeV presentado en esta tesis se ha obtenido con dos selecciones diferentes: un análisis basado en cortes y otro basado en la forma (shape) de la distribución de un discriminante unidimensional con significado físico. Los resultados para el análisis usando la distribución unidimensional de un observable físico se obtuvieron en 2011 utilizando la forma de la masa invariante de los dos leptones (mll) al nivel conocido como N-1. Este nivel de selección corresponde al nivel final del análisis eliminando el corte en la variable estudiada para intentar mantener todo el poder discriminante sin distorsionar la forma de la variable para la extracción de la señal. El rango de exclusión que se obtiene excluye el rango de masas [140--230] al 95% C.L. con la aproximación bayesiana. Con el método CLs, el rango de exclusión es [133--230] al 95%. En ausencia de señal, el rango de exclusión esperado es [126--230] al 95% C.L (CLs). Para el análisis usando los datos de 2012, el resultado final para el análisis unidimensional se obtiene utilizando la forma de la distribución de tres discriminantes diferentes: la masa transversa (mT) , una variable de razor (2MR) y la masa invariante (mll). Las distribuciones se estudian a un nivel de selección intermedio en el que todavía no se ha aplicado ningún corte dependiente de la masa del Higgs. Se ha estudiado igualmente una aproximación adicional utilizando la distribución de la masa invariante tras haber aplicado todos los cortes del análisis pero eliminando el corte en la variable mll. La Tabla 2 resume la significancia esperada y observada utilizando la forma de distintas variables unidimensionales para sucesos con leptones de distinto sabor y combinando los resultados con los del análisis basado en cortes para los sucesos con leptones del mismo sabor. Una vez que los resultados del canal H->WW se han combinado con los obtenidos por los canales ZZ, tau tau, gamma gamma y bb, se observa un exceso de sucesos con respecto al fondo esperado para una masa en torno a 125 GeV/c2, indicando la presencia de una nueva partícula. La consistencia de los acoplamientos del bosón observado con los que predice el modelo estándar han sido estudiados y hasta el momento no se ha encontrado ninguna desviación significativa. El spin de esta nueva partícula está siendo estudiado a su vez. El hecho de que se desintegre a dos fotones indica que la nueva partícula es un bosón con un spin distinto de 1. Cuando el LHC vuelva a estar operativo en 2015 uno de sus mayores objetivos será la caracterización de las propiedades de este nuevo bosón. El proceso WW es muy sensible a búsquedas de nueva física. En particular, la producción qq -> WW para el canal-s es sensible a las medidas de los TGC (Trilinear Gauge Couplings). Un exceso en la medida de la sección eficaz de WW puede implicar la presencia de acoplamientos TGC anómalos u otros procesos físicos con un estado final similar. El proceso WW es también muy importante al tratarse del principal fondo irreducible para las búsquedas del bosón de Higgs en el canal H -> WW. Para la estimación de la sección eficaz de producción del WW se seleccionan sucesos con dos leptones aislados, un elevado valor de ETmiss y que no contengan jets con alto pT. La eficiencia de señal se extrae de la simulación de Monte Carlo mientras que los principales fondos, al igual que en el caso del H -> WW, se estiman usando métodos basados directamente en datos. La estimación de otros fondos menores como el WZ o el ZZ , se obtiene directamente del Monte Carlo. La medida experimental de la sección eficaz de WW utilizando toda la luminosidad recogida a 7 TeV es: sigmaWW= 52.4 ± 2.0 (est.) ± 1.2 (lumi.) ± 4.5 (sist.) pb En esta tesis se ha calculado la medida de la sección eficaz de WW utilizando una luminosidad de 3.54 fb-1 para una energía de centro de masas de 8 TeV La selección de sucesos para esta medida, junto con la de la búsqueda del bosón de Higgs en el canal H ->WW, ha sido optimizada para hacer frente al incremento de la luminosidad instantánea en el LHC. La sección eficaz experimental medida con los primeros 3.54 fb-1 de los datos tomados en 2012 a 8 TeV corresponde a: sigmaWW = 69.9 ± 2.8 (stats.) ± 3.1 (lumi.) ± 5.6 (syst.) pb