Tau lepton reconstruction and search for Higgs bosons decaying to tau pairs in the CMS experiment at the LHC. Ivo Nicolas Naranjo Fong To cite this version: Ivo Nicolas Naranjo Fong. Tau lepton reconstruction and search for Higgs bosons decaying to tau pairs in the CMS experiment at the LHC.. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Ecole Polytechnique, 2014. English. tel-01089488 HAL Id: tel-01089488 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01089488 Submitted on 1 Dec 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ECOLE´ POLYTECHNIQUE THESE` DE DOCTORAT Pr´esent´ee par Ivo Nicol´as Naranjo Fong en vue d’obtenir le grade de DOCTEUR EN SCIENCES Reconstruction des leptons tau et recherche de bosons de Higgs se d´esint´egrant en paire de leptons tau dans l’exp´erience CMS aupr`es du LHC Soutenue le 1er Octobre 2014 devant le jury compos´ede : Dr. Pierre Fayet Pr´esident du Jury Dr. Suzanne Gascon Rapporteur Dr. Arnaud Lucotte Rapporteur Dr. Pascal Paganini Directeur de th`ese Dr. Boris Tuchming Examinateur Dr. M´onica Vazquez´ Acosta Examinateur ECOLE´ POLYTECHNIQUE PHILOSOPHIÆ DOCTOR THESIS Presented by Ivo Nicol´as Naranjo Fong Submitted in fulfillment of the requirements for the degree of DOCTEUR EN SCIENCES Tau lepton reconstruction and search for Higgs bosons decaying to tau pairs in the CMS experiment at the LHC Defended on October the 1st 2014 in front of the comitee: Dr. Pierre Fayet President Dr. Suzanne Gascon Referee Dr. Arnaud Lucotte Referee Dr. Pascal Paganini Supervisor Dr. Boris Tuchming Examiner Dr. M´onica Vazquez´ Acosta Examiner Abstract This thesis presents a search for Higgs bosons decaying into tau pairs in the context of the Standard Model (SM) and its minimal supersymmetric extension (MSSM) with the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, using the data collected during the first years of operation at the LHC. After introducing the theoretical context relevant for the SM and MSSM Higgs bosons searches, the corresponding phenomenological aspects are discussed. The discovery of a scalar boson by the ATLAS and CMS Collaborations in 2012 is then presented. The design and performance of the CMS experiment are described as well as the identification and measurements of physical objects needed for the analysis. The accent is put on the tau lepton reconstruction including in particular a novel tau isolation that uses the lifetime information. We optimized this tool in terms of tau identification efficiency and fake tau rejection, particularly suited for boosted taus. A new technique for rejecting the electrons faking taus is also presented: a discriminator based on a multivariate analysis which considerably reduces the contamination from electrons faking taus while preserving the efficiency of identification is exposed. The SM and MSSM Higgs boson searches in the di-tau final state are presented. The 1 1 dataset corresponds to an integrated luminosity of 4.9 fb− at √s = 7 TeV and 19.7 fb− at √s = 8 TeV recorded by CMS respectively in 2011 and 2012. The focus is put on the most sensitive semi-leptonic decay channels: H ττ lτ where l is either an → → h electron or muon and τh stands for hadronic tau decays. After combining all the decay channels in SM Higgs boson to di-tau search and in particular using the new anti-electron discriminator, an excess of observed events with respect to the background-only hypothesis is found. The statistical significance of this excess corresponds to 3.2 standard deviations at a mass of 125 GeV. The measured signal strength is compatible with the SM Higgs signal expectation. This result constitutes an evidence for a coupling between the scalar boson and leptons. Finally, a new strategy in the search for the MSSM Higgs bosons is presented in this thesis. It combines both the novel tau isolation technique and a new refined categorization based on the τh transverse momentum. With respect to the previous CMS public result (2013), the sensitivity of the analysis presented in this document is improved by more than 30%. This is equivalent to an increase of the total integrated luminosity by a factor 3 to 4. The interpretation of the model independent upper limits on the cross-section times branching ratio of the production process shows no significant excess over the Standard Model backgrounds. R´esum´e Cette th`ese pr´esente une recherche du boson de Higgs du Mod`ele Standard (MS) et de son extension supersym´etrique minimale (MSSM) dans la voie de d´esint´egration en paires de leptons tau avec l’exp´erience CMS pendant les premi`eres ann´ees d’exploitation du LHC. Apr`es une introduction du contexte th´eorique pertinent pour la recherche du boson de Higgs du MS et du MSSM, les aspects ph´enom´enologiques sont expos´es. La d´ecouverte en 2012 d’un boson scalaire par les collaborations ATLAS et CMS est ensuite pr´esent´ee. La description du d´etecteur CMS est abord´ee et la reconstruction des objets n´ecessaires a l’analyse est d´ecrite. Une attention particuli`ere est port´ee `ala reconstruction des lep- tons tau avec notamment un algorithme d’isolation original incluant des informations sur le temps de vie. Nous avons optimis´ecet outil en termes d’efficacit´ed’identification et de r´ejection de bruit de fond. Une nouvelle technique visant `asupprimer des ´electrons reconstruits a tord comme des taus est ´egalement pr´esent´ee: le d´eveloppement d’un dis- criminateur anti-´electron, bas´esur une analyse multivari´ee r´eduit consid´erablement cette contamination tout en pr´eservant l’efficacit´ed’identification. La recherche du boson de Higgs du MS et MSSM dans ses d´esint´egrations en paires de 1 taus est expos´ee. Les donn´ees utilis´ees correspondent `a une luminosit´eint´egr´ee de 4.9 fb− 1 avec une ´energie dans le centre de masse √s = 7 TeV et 19.7 fb− avec √s = 8 TeV collect´ees par CMS en 2011 et 2012 respectivement. Une attention particuli`ere est port´ee aux canaux de d´esint´egration semi-leptoniques: H ττ lτ o`u l repr´esente un ´electron → → h ou un muon et τh une d´esint´egration hadronique de tau. La combinaison de tous les canaux de d´esint´egration du Higgs du MS en paire de taus avec en particulier l’utilisation du nouveau discriminateur anti-´electron conduit `aun exc`es d’´ev´enements par rapport aux bruits de fond attendus. L’interpr´etation statistique correspond `a3.2 d´eviations standard pour une masse de 125 GeV et la force du signal est compatible avec le boson de Higgs du Mod`ele Standard. Ce r´esultat constitue une indication directe du couplage du boson de Higgs aux leptons. Finalement, une strat´egie originale de recherche de bosons de Higgs du MSSM est pr´esent´ee. Elle combine d’une part la nouvelle technique d’isolation de tau et d’autre part une d´efinition optimis´ee des cat´egories d’analyse fond´ees sur l’impulsion transverse des taus. La sensibilit´ede l’analyse est ainsi augment´ee de plus de 30% par rapport au dernier r´esultat public de CMS (2013) ce qui est ´equivalent `aun accroissement de 3 `a4 fois la luminosit´etotale int´egr´ee. Aucun exc`es d’´ev´enements n’est observ´epar rapport aux bruits de fonds pr´edits par le MS suite `al’interpr´etation mod`ele ind´ependante des limites sup´erieures sur la section efficace fois le rapport d’embranchement pour chacun des modes de production. Las cosas tienen vida propia, todo es cuesti´on de despertarle el ´anima. Gabriel Garc´ıa M´arquez, Cien a˜nos de soledad Remerciements Je voudrais remercier tous ceux qui m’ont soutenu et aid´ependant ces trois derni`eres ann´ees. Le travail d´ecrit dans cette th`ese n’est pas individuel mais le fruit d’innombrables ´echanges, discussions, apprentissages et encouragements des personnes `ames cˆot´es. Tout d’abord je voudrais remercier mon directeur de th`ese Pascal Paganini. L’autonomie et le soutien que tu m’as accord´eont ´et´eindispensables d`es le d´ebut de mon stage de M2. Je tiens a t´emoigner de ta disponibilit´econstante tout le long de ma th`ese, tes conseils et tes encouragements, toujours en train de veiller `amettre en valeur mon travail. La mise en place des corrections pour le manuscrit ainsi que la pr´eparation de ma soutenance ont ´et´ed’une aide inestimable. Ton ouverture d’esprit lors des moments de doute ont permis de me rassurer `achaque ´etape de ce long chemin. Merci pour ta confiance. Je remercie les membres de mon jury de th`ese. Suzanne Gascon-Shotkin et Arnaud Lucotte pour avoir accept´ede lire ce manuscrit en tant que rapporteurs. Je remercie ´egalement Pierre Fayet d’avoir pr´esid´ema soutenance ainsi que Monica V´asquez Acosta et Boris Tuchming d’avoir accept´ede juger mon travail. Je tiens `aremercier aussi l’ensemble du Laboratoire Leprince-Ringuet. D’abord un grand merci au service administratif du LLR pour leur bonne humeur. Merci au service informatique pour leur efficacit´eet disponibilit´e.