Search for the exotic decay of the Higgs boson to four bottom quarks, H→4b, in the associated production with a W boson, at the CMS/LHC

Ρουσελιωτάκη, Λίζα-Πέννυ; Rouseliotaki, Liza-Penny

dc.contributor.author	Ρουσελιωτάκη, Λίζα-Πέννυ	el
dc.contributor.author	Rouseliotaki, Liza-Penny	en
dc.date.accessioned	2025-04-11T11:21:12Z
dc.date.available	2025-04-11T11:21:12Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61687
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29383
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υψηλές ενέργειες	el
dc.subject	Σωματιδιακή φυσική	el
dc.subject	Ανάλυση	el
dc.subject	CMS	en
dc.subject	Exotic Higgs	en
dc.subject	Computing	en
dc.subject	Software	en
dc.subject	Μελέτη παρατηρησιμότητας	el
dc.subject	Εξωτική διάσπαση Higgs	el
dc.subject	Κλάσμα διάσπασης	el
dc.subject	Machine learning	en
dc.subject	MVA	en
dc.title	Search for the exotic decay of the Higgs boson to four bottom quarks, H→4b, in the associated production with a W boson, at the CMS/LHC	en
dc.title	Μελέτη παρατηρησιμότητας της εξωτικής διάσπασης του μποζονίου Higgs σε τέσσερα b-quarks στο κανάλι παραγωγής WΗ με τον ανιχνευτή CMS στο LHC	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Φυσική Υψηλών Ενεγειών	el
heal.classification	High Energy Physics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-04-10
heal.abstract	In this thesis, we present a search for an exotic decay of the Standard Model-like Higgs boson into a pair of light pseudoscalar ’a’ bosons, followed by the prompt decay of each ’a’ boson to a bottom quark-anti-quark pair, H→aa→4b. The ’a’ mass lies in the range between [12, 60] GeV. Such exotic Higgs decays are predicted in models with extended Higgs sectors, such as the Two-Higgs-Doublet Model (2HDM). The analysis utilizes Monte Carlo (MC) simulated samples corresponding to the Run2 2017 data-taking period with the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 41.3 fb^−1 and proton - proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV. The analysis uses the associated production of the Higgs boson with a W boson, where the W boson decays leptonically (W → ℓν), in order to suppress backgrounds from strong production interaction processes. The cross section for the WH production process is taken to be the SM value, σW H =1.37 pb. Events are selected using standard single-lepton triggers (e or µ) with transverse momentum and pseudorapidity thresholds optimized for the 2017 data-taking conditions. We fo- cus at ’a’ boson masses in the range [20, 60] GeV for the signal, where standard jet reconstruction and b-tagging techniques are employed to identify the four b final state event topology. AK4 jets are reconstructed using the anti-kT algorithm with a distance parameter of ∆R=0.4, and b-tagging is performed using the DeepJet algorithm. The dominant background composition arise in order of importance, from top-quark pair production, QCD multijet events, and W+jets processes. These backgrounds mimic the signal due to their high jet multiplicity and b-jet content. Other lower contributions consist of Drell-Yan, diboson and triboson, single top and SM VH (H→bb) processes. This analysis uses dedicated kinematic variables in order to distinguish between the signal and the SM background. The modeling of variable distributions in simulation is validated by comparing data and Monte Carlo (MC) and the results show an adequate agreement between data and simulation. To enhance the discrimination between signal and background events, a set of variables with high discriminative power is selected for multivariate analysis. The Boosted Decision Trees (BDT) algorithm is employed to classify signal and background events. The output distribution of the BDT is used to perform a binned shape analysis. Monte Carlo pseudo-data are generated, and an extended binned maximum likelihood fit is conducted to extract the expected signal yield. Finally, a Bayesian approach is adopted to compute credible intervals for the expected signal yield, utilizing the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm. From these intervals, we derive the 95% confidence level upper limits on the branching ratio BR(H→aa→4b) for all signal ’a’ boson mass hypotheses above 15 GeV. The WH expected upper limit ranges from 0.51 for the signal ’a’ mass hypothesis of 25 GeV to 0.22 for the ’a’ boson mass hypothesis of 60 GeV. (en)	en
heal.abstract	Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζουμε μια αναζήτηση για μια εξωτική διάσπαση του μποζονίου Higgs, όμοιου με αυτό του Καθιερωμένου Προτύπου, σε ένα ζεύγος ελαφρών ψευδοβαθμωτών μποζονίων ‘a’, ακολουθούμενη από την άμεση διάσπαση κάθε μποζονίου 'a' σε ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ bottom, H→aa→4b. Η μάζα του 'a' βρίσκεται στην περιοχή μεταξύ [12, 60] GeV. Τέτοιες εξωτικές διασπάσεις του Higgs προβλέπονται σε μοντέλα με extended Higgs sector, όπως το Μοντέλο Two-Higgs-Doublet (2HDM). Η ανάλυση χρησιμοποιεί δείγματα προσομοίωσης Monte Carlo (MC) που αντιστοιχούν στην περίοδο λήψης δεδομένων Run2 του 2017 με το πείραμα CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN. Το σύνολο δεδομένων αντιστοιχεί σε μια ολοκληρωμένη φωτεινότητα 41.3 fb^−1 και σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια κέντρου μάζας √s = 13 TeV. Η ανάλυση χρησιμοποιεί την παραγωγή του μποζονίου Higgs με ένα μποζόνιο W, όπου το μποζόνιο W διασπάται λεπτονικά (W → ℓν), προκειμένου να κατασταλούν τα υπόβαθρα από διαδικασίες ισχυρής παραγωγής. Η ενεργός διατομή για τη διαδικασία παραγωγής WH λαμβάνεται ως η τιμή του Καθιερωμένου Προτύπου, σWH = 1.37 pb. Τα γεγονότα επιλέγονται χρησιμοποιώντας τυπικούς λεπτονικούς trigges (ηλεκτρονίου ή μιονίου) με κατώφλια εγκάρσιας ορμής και ψευδοταχύτητας βελτιστοποιημένες για τις συνθήκες λήψης δεδομένων του 2017. Εστιάζουμε σε μάζες μποζονίου 'a' στην περιοχή [20, 60] GeV για το σήμα, όπου χρησιμοποιούνται τυπικές τεχνικές ανακατασκευής πιδάκων και b-tagging για την αναγνώριση της τοπολογίας γεγονότων τελικής κατάστασης με τέσσερα b. Οι πίδακες AK4 ανασυνθέτονται χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο anti-kT με παράμετρο απόστασης ΔR=0.4, και to b-tagging πραγματοποιείται με τον αλγόριθμο DeepJet. Το κυρίαρχο υπόβαθρο προκύπτει κατά σειρά σημαντικότητας από την παραγωγή ζευγών τοπ κουάρκ, γεγονότα QCD και διαδικασίες W+jets. Αυτά τα φάσματα μιμούνται το σήμα λόγω της υψηλής πολλαπλότητας πιδάκων και περιεχομένου b-πιδάκων. Άλλες μικρότερες συνεισφορές προέρχονται από διαδικασίες Drell-Yan, δι-μποζονίων και τρι-μποζονίων, μεμονωμένου top και SM VH (H→bb). Αυτή η ανάλυση χρησιμοποιεί κινηματικές μεταβλητές για να διακρίνει ανάμεσα στο σήμα και το υπόβαθρο του Καθιερωμένου Προτύπου. Η μοντελοποίηση των κατανομών των μεταβλητών στην προσομοίωση επαληθεύεται συγκρίνοντας τα δεδομένα και την Monte Carlo (MC) και τα αποτελέσματα δείχνουν μια ικανοποιητική συμφωνία ανάμεσα σε δεδομένα και προσομοίωση. Για να ενισχυθεί ο διαχωρισμός μεταξύ γεγονότων σήματος και φάσματος, επιλέγεται ένα σύνολο μεταβλητών με υψηλή διακριτική ικανότητα για πολυμεταβλητή ανάλυση. Ο αλγόριθμος Boosted Decision Trees (BDT) χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση γεγονότων σήματος και υποβάθρου. Η κατανομή του BDT χρησιμοποιείται για την εκτέλεση μιας binned shape ανάλυσης. Δημιουργούνται ψευδο-δεδομένα Monte Carlo και πραγματοποιείται μια εκτεταμένη μέγιστης πιθανοφάνειας προσαρμογή για την εξαγωγή της αναμενόμενης απόδοσης σήματος. Τέλος, υιοθετείται μια Bayesian προσέγγιση για τον υπολογισμό credible intervals για την αναμενόμενη απόδοση σήματος, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Markov Chain Monte Carlo (MCMC). Από αυτά τα διαστήματα, εξάγουμε τα άνω όρια εμπιστοσύνης 95% για το κλάσμα διάσπασης BR(H→aa→4b) για όλες τις υποθέσεις μάζας του μποζονίου 'a' πάνω από 15 GeV. Το αναμενόμενο άνω όριο για WH κυμαίνεται από 0.51 για την υπόθεση μάζας του 'a' στα 25 GeV έως 0.22 για την υπόθεση μάζας του μποζονίου 'a' στα 60 GeV.	el
heal.advisorName	Καραποστόλη, Γεωργία	el
heal.committeeMemberName	Τσιπολίτης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κουσουρής, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής. Εργαστήριο Πειραματικής Φυσικής Υψηλών Ενεργειών και Συναφούς Οργανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	141 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false