Search for the exotic decay of the Higgs boson
to four bottom-quarks H → 4b in the associated production
of the Higgs with a Z boson at the LHC

Ταξείδη, Άρτεμις

dc.contributor.author	Ταξείδη, Άρτεμις
dc.date.accessioned	2025-04-16T10:33:30Z
dc.date.available	2025-04-16T10:33:30Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61768
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29464
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	φυσική στοιχειωδών σωματιδίων	el
dc.subject	εξωτική διάσπαση	el
dc.subject	πέραν του καθιερωμένου προτύπου	el
dc.subject	πολυμεταβλητή ανάλυση	el
dc.subject	άνω όριο στο λόγο διακλάδωσης	el
dc.subject	beyond the standard model(BSM)	en
dc.subject	exotic Higgs decay	en
dc.subject	maximum likelihood fit	en
dc.subject	Markov chain Monte Carlo	en
dc.subject	upper limits	en
dc.title	Search for the exotic decay of the Higgs boson to four bottom-quarks H → 4b in the associated production of the Higgs with a Z boson at the LHC	en
dc.contributor.department	Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές	el
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Ερευνα για την εξωτική διασπαση του μποζονίου Χιγκς σε τέσσερα bottom quarks, όπου το Χιγκς παράγεται σε συσχετισμένη παραγωγή με το Ζ μποζόνιο στον LHC	el
heal.classification	Φυσική Υψηλών ενεργείων	el
heal.classification	'Ερευνα νέας φυσικής πέραν του καθηερωμένου προτύπου	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-03-19
heal.abstract	Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζουμε μια αναζήτηση για εξωτική διάσπαση του σωματιδίου Higgs του Καθιερωμένου προτύπου σε ένα ζεύγος ελαφρύτερων ψευδοβαθμωτών σωματιδίων ”a”: H → aa με 12 ≤ ma ≤ 60 GeV, όπως προβλέπεται σε μοντέλα με επεκταμένους τομείς Higgs, όπως το μοντέλο two Higgs doublet model με ένα βαθμωτό singlet πεδίο (2HDM+S). Η αναζήτηση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το λογισμικό του CMS (CMSSW). Χρησιμοποιήθηκαν Monte Carlo προσομοιωμένα δεδομένα για την περίοδο συλλογής δεδομένων RUN2 2017 του CMS. Η ολοκληρωμένη φωτεινότητα αυτής της περιόδου ήταν Lint = 41.5f b−1 και η ενέργεια κέντρου μάζας των συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου ήταν 13 TeV. Στην ανάλυση αυτή, εξετάζεται η συσχετισμένη παραγωγή ZH, όπου το μποζόνιο Z διασπάται είτε λεπτονικά (κανάλι 2-λεπτονίων) είτε αόρατα (κανάλι 0-λεπτονίων). Καθώς η μάζα του σωματιδίου ”a” μειώνεται, τα b-κουάρκ της διάσπασής του τείνουν να παρά- γονται σε μικρές γωνιακές αποστάσεις. Έτσι, σε κάθε κανάλι ορίζουμε δύο περιοχές, τη resolved και την merged. Η resolved ορίζεται για μάζες του ”a” στην περιοχή 20-60 GeV και χρησιμοποιού- νται οι τυπικές μέθοδοι ανακατασκευής αρονικών πιδάκων (jet reconstruction) και b-tagging του CMS για την αναγνώριση των τελικών b-κουάρκ. Αντιθέτως, η merged περιοχή ορίζεται για χα- μηλότερες μάζες ”a” στην περιοχή 15-40 GeV, όπου εισάγονται jets μεγάλης ακτίνας (fat jets) και ένας διπλός b-tag διαχωριστής(b-tag discriminator) για την ανακατασκευή δύο b-κουάρκ υψηλής ώθησης Lorentz (highly Lorentz boosted)με ένα fat jet. Έπειτα, επιλέγονται μεταβλητές με υψηλή διακριτική ικανότητα για πολυμεταβλητή ανάλυση. Ο αλγόριθμος ταξινόμησης δέντρων απόφασης με ενίσχυση (BDT) επιλέχθηκε για τη διάκριση μεταξύ σήματος και υποβάθρου. Χρησιμοποιήσαμε το RooFit για να παράξουμε MC ψευδοδεδομένα και να πραγματοποιήσου- με προσαρμογή μέγιστης πιθανοφάνειας . Τέλος, επιλέχθηκε η Bayesian συμπερασματολογία για τον υπολογισμό των διαστημάτων α- ξιοπιστίας(confidence intervals) της αναμενόμενης απόδοσης σήματος(signal strength), χρησιμο- ποιώντας την υλοποίηση του αλγορίθμου Markov Chain Monte Carlo (MCMC) στο RooStats. Από αυτά τα διαστήματα, προκύπτουν τα άνω όρια σε διάστημα αξιοπιστίας 95% (95% CL upper limits)στο λόγο διακλάδωσης Br(h → aa → 4b), για όλες τις μάζες ”a” σε κάθε περιοχή του κάθε καναλιού.	el
heal.abstract	In this thesis, we present a search for non-standard decay of the Standard Model-like Higgs boson to a pair of pseudoscalar lighter bosons H → aa with 12 ≤ ma ≤ 60 GeV , as predicted in models with extended Higgs sectors,like the two Higgs doublet model with a scalar singlet field (2HDM+s). Monte Carlo simulated samples of the RUN2 2017 data taking period of CMS were used. The integrated luminosity of this period was Lint = 41.5f b−1 and the center of mass energy of pp collisions was √s = 13 TeV. In this analysis, the ZH associated production is considered where the Z boson decays either leptonically (2-lepton channel) or invisibly (0-lepton channel). As ”a” boson mass decreases, the b-quarks of its decay tend to be collimated. Thus, in each channel we define two regimes, the resolved and the merged one. The resolved regime, is defined for ”a” boson masses in the range 20-60 GeV and the standard jet reconstruction and b-tagging methods of CMS are used to identify the final state b-quarks. Meanwhile, the merged regime is defined for lower ”a” masses in the range 15-40 GeV where we introduce large-radius jets, named fat jets and a double b-tag discriminator to reconstruct two high-Lorentz boosted b-quarks into a single fat jet. Then, variables with high discriminative power are chosen for multi-variable analysis. The boosted decision trees (BDT) classification algorithm was chosen to distinguish between signal and background. The output distribution of BDT was used to conduct binned shape analysis. We used RooFit to generate MC pseudo-data and perform binned maximum likelihood fit. Finally, Bayesian method was chosen to compute credible intervals of the expected signal yield, using RooStats Marcov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm implementation. From these intervals, we derive the 95% confidence level upper limits on the branching ratio Br(h → aa → 4b), for all ”a” masses in each regime of each channel.	en
heal.advisorName	Καραποστόλη, Γεωργία
heal.committeeMemberName	Κουσουρής, Κωσταντίνος
heal.committeeMemberName	Καραποστόλη, Γεωργία
heal.committeeMemberName	Τσιπολίτης, Γιώργος
heal.academicPublisher	Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	172
heal.fullTextAvailability	false