Identification of Hadronically Decaying Tau Leptons in Searches for Heavy MSSM Higgs Bosons with the CMS Detector at the CERN LHC

Abstract

This thesis describes methods for the reliable identification of hadronically decaying tau leptons in the search for heavy Higgs bosons of the minimal supersymmetric standard model of particle physics (MSSM). The identification of the hadronic tau lepton decays, i.e. tau-jets, is applied to the gg->bbH, H->tautau and gg->tbH+, H+->taunu processes to be searched for in the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Of all the event selections applied in these final states, the tau-jet identification is the single most important event selection criterion to separate the tiny Higgs boson signal from a large number of background events.

The tau-jet identification is studied with methods based on a signature of a low charged track multiplicity, the containment of the decay products within a narrow cone, an isolated electromagnetic energy deposition, a non-zero tau lepton flight path, the absence of electrons, muons, and neutral hadrons in the decay signature, and a relatively small tau lepton mass compared to the mass of most hadrons. Furthermore, in the H+->taunu channel, helicity correlations are exploited to separate the signal tau jets from those originating from the W->taunu decays. Since many of these identification methods rely on the reconstruction of charged particle tracks, the systematic uncertainties resulting from the mechanical tolerances of the tracking sensor positions are estimated with care.

The tau-jet identification and other standard selection methods are applied to the search for the heavy neutral and charged Higgs bosons in the H->tautau and H+->taunu decay channels. For the H+->taunu channel, the tau-jet identification is redone and optimized with a recent and more detailed event simulation than previously in the CMS experiment. Both decay channels are found to be very promising for the discovery of the heavy MSSM Higgs bosons.

The Higgs boson(s), whose existence has not yet been experimentally verified, are a part of the standard model and its most popular extensions. They are a manifestation of a mechanism which breaks the electroweak symmetry and generates masses for particles. Since the H->tautau and H+->taunu decay channels are important for the discovery of the Higgs bosons in a large region of the permitted parameter space, the analysis described in this thesis serves as a probe for finding out properties of the microcosm of particles and their interactions in the energy scales beyond the standard model of particle physics.

Tämä väitöskirja käsittelee menetelmiä hadronisesti hajoavien tau-leptoneiden luotettavaan tunnistamiseen raskaiden Higgsin bosonien etsinnässä minimaalisessa supersymmetrisessä standardimallissa (MSSM). Hadronisten tau-leptonien hajoamisten, eli tau-ryöppyjen tunnistamista sovelletaan gg->bbH, H->tautau ja gg->tbH+, H+->taunu -prosesseihin, joita tullaan etsimään CERN:n LHC-kiihdyttimen CMS-kokeessa. tau-ryöppyjen tunnistaminen on tärkein yksittäinen analyysimenetelmä, jolla voidaan erottaa pieni Higgsin bosonin signaali suuresta määrästä taustatapahtumia.

Väitöksessä tutkitaan tau-ryöppyjen tunnistamismenetelmiä, jotka perustuvat pieneen määrään sähköisesti varattuja hiukkasia tau-leptonin hajoamistuotteiden joukossa, hajoamistuotteiden rajautumiseen kapeaan kartioon, eristettyyn sähkömagneettiseen energiaprofiiliin, tau-leptonin lentomatkan pituuteen, tau-leptonin suhteellisen pieneen massaan verrattuna useimpien hadronien massaan sekä elektronien, myonien ja neutraalien hadronien puuttumiseen tau-leptonin hajoamistuotteista. Lisäksi H+->taunu -kanavassa käytetään hyväksi tau-leptonien helisiteettikorrelaatiota erottamaan signaalin tau-ryöpyt W->taunu -hajoamisissa syntyvistä tau-ryöpyistä. Koska monet näistä tunnistusmenetelmistä perustuvat varattujen hiukkasten jälkien rekonstruoimiseen, jälki-ilmaisimen sensorien mekaanisten siirtymien vaikutusta systemaattisiin epävarmuuksiin arvioidaan huolella.

tau-ryöppyjen tunnistamista ja muita yleisesti käytettyjä kokeellisia valintamenetelmiä sovelletaan neutraalien sekä varattujen raskaiden Higgsin bosonien etsimiseen H->tautau ja H+->taunu -hajoamiskanavissa. H+->taunu -kanavassa tau-ryöppyjen tunnistaminen analysoidaan ja optimoidaan uudelleen hiljattain tehdyllä aiempaa tarkemmalla simulaatiolla, Molempien hajoamiskanavien havaitaan olevan hyvin lupaavia MSSM-teorian raskaiden Higgsin bosonien löytämiseksi.

Higgsin bosoni(t), joiden olemassaoloa ei toistaiseksi ole kokeellisesti vahvistettu, ovat osa hiukkasfysiikan standardimallia ja sen lupaavimpia laajennuksia. Ne ovat osa mekanismia, joka rikkoo sähköheikon vuorovaikutuksen symmetrian ja tuottaa massan hiukkasille. Koska H->tautau ja H+->taunu -hajoamiskanavat ovat tärkeitä Higgsin bosonien löytämiseksi suuressa osassa sallittua parametriavaruutta, tässä väitöskirjassa esitetty analyysi mahdollistaa hiukkasten ja niiden välisten vuorovaikutusten muodostaman mikrokosmoksen ominaisuuksien kokeellisen tutkimisen energiaskaalalla, joka ylittää hiukkasfysiikan standardimallin tähänastiset pätevyysrajat.