Survol des analyses combinées

Cinq analyses sont incluses dans la combinaison, chacune d’entre elles se focalise sur une désintégration du boson de Higgs et sur un ou plusieurs modes de production.

Le canal H → γγ

La première analyse incluse dans la combinaison est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de photons [36]. Cette analyse recherche deux photons isolés, le photon de plus grande impulsion transverse (resp. de seconde plus grande impulsion transverse) doit avoir E_T/m_γγ > 0.35 (resp. > 0.25) où m_γγ est la masse invariante de la paire de photons. Les événements contenant deux photons sont classés en 10 catégories pour les données à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV et en 14 catégories pour les données prises à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. Ces catégories sont conçues pour être sensibles à des modes de production spécifique.

La première catégorie sensible au mode de production W H et ZH où le boson Z se dés-intègre leptoniquement requiert la présence d’un électron ou d’un muon. La seconde catégorie requiert une énergie transverse manquante par l’intermédiaire d’une coupure sur la signification statistique de l’impulsion transverse manquante définie par :

E_T^manquante σ_Emanquante

T

avec σ_Emanquante

T = 0.67GeV^1/2qS_T (180)

où S_T est l’énergie transverse totale de l’événement. La catégorie suivante est conçue pour être sensible à la désintégration hadronique des bosons W et Z dans le cas d’une production

par Higgs-strahlung (V h). Cette catégorie demande la présence de deux jets ayant une masse compatible avec un boson de jauge. Des critères sont aussi appliqués sur l’écart angulaire entre la paire de photons et la paire de jets, ainsi que sur l’impulsion transverse du système de deux photons. Ces trois catégories sensibles aux modes de production ZH et W H sont spécifiques aux données à 8 TeV.

Les deux catégories suivantes sont conçues pour être sensibles au mode de production par VBF et sont spécifiques aux données à 8 TeV. Pour maximiser la séparation du signal avec le bruit de fond, un BDT est utilisé. Les événements sont classés en fonction de la valeur de sortie du BDT. Dans le cas des données à 7 TeV, une catégorie spécifique est définie en requérant la présence de deux jets possédant une grande séparation en η.

Les neufs catégories restantes sont dominées par la fusion de gluons, elles sont définies à la fois pour les données à 7 et 8 TeV en fonction de la conversion ou non des photons, de la pseudo-rapidité des photons η_γ et de l’impulsion perpendiculaire au trust axis p_{T t}. Dans chacune des catégories, le bruit de fond provient principalement des processus du modèle standard produisant une paire de photons, il s’agit d’un bruit de fond irréductible. Il existe également une contamination provenant d’un bruit de fond réductible dans les cas où un ou deux jets sont identifiés comme des photons. Le nombre d’événements de signal est extrait à partir de la distribution de la masse invariante de la paire de photons dont la distribution est montrée par la figure 71a.

Dans le cadre de l’étude des propriétés du boson de Higgs, la recherche de la désintégration en une paire de photons est très importante car elle est sensible à tous les modes de production. De plus, la production dominante et la désintégration se font à travers des boucles, toute déviation du taux d’événements dans cette analyse pourrait être le signe de nouvelles particules intervenant dans les boucles.

(a) (b)

Figure 71 – (a) Distribution de la masse invariante de la paire de photons pour l’ensemble des données prises à 7 TeV et 8 TeV. Le cadre du bas montre la distribution après soustraction du bruit de fond ajusté sur les données. (b) Masse invariante du système de quatre leptons.

Le canal H → ZZ^∗

La seconde analyse est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de bosons Z, l’un d’entre eux étant hors de sa couche de masse [36]. L’analyse recherche deux paires de

leptons de même saveur et de signe opposé dont la masse invariante pour l’une des deux paires est compatible avec la masse d’un boson Z ce qui permet d’obtenir une excellente résolution sur la masse du boson de Higgs. Les événements sont d’abord classés en fonction des saveurs des leptons présents dans l’événement, les catégories sont les suivantes : 4e, 2µ2e, 2e2µ et 4µ, la première paire de leptons étant celle possédant la masse invariante la plus proche du boson Z. Dans chaque catégorie, les événements sont classés dans une des trois sous-catégories conçues pour être sensibles à un mode de production donné. La première catégorie est sensible à la production par VBF et demande en plus des deux leptons, la présence de deux jets possédant une masse invariante supérieure à 350 GeV, une séparation en pseudo-rapidité d’au moins trois unités. Si l’événement contient un cinquième lepton alors il est classé dans la catégorie sensible à la production par V h. Les événements restants appartiennent à la catégorie sensible à la fusion de gluons.

Le bruit de fond principal est le continuum ZZ^∗ et dans une moindre mesure la production de boson Z en association avec des jets et la production de paires de quarks top. Le nombre d’événements de signal est extrait à partir de la distribution de la masse invariante des quatre leptons, la distribution pour l’ensemble des catégories est montrée en figure 71b.

La combinaison des analyses H → ZZ^∗ et H → γγ a permis une mesure très précise de la masse du boson de Higgs. Les valeurs déterminées par les deux analyses et leur combinaison sont résumées dans la table 12. La masse combinée est utilisée pour calculer les sections efficaces et les rapports d’embranchement.

Analyse Masse

H → γγ mH = 126.8 ± 0.2 (stat) ± 0.7 (sys) GeV

H → ZZ^∗ m_H = 124.3^+0.6_−0.5 (stat) ^+0.5_−0.3 (sys) GeV Combinaison m_H = 125.5 ± 0.2 (stat) ^+0.5_−0.6 (sys) GeV

Table 12 – Valeur de la masse du boson de Higgs déterminée par chaque expérience et leur combinaison.

Le canal H → W W^∗

L’analyse suivante est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de bosons W, l’un d’eux étant hors de sa couche de masse [36]. Les événements sont classés en fonction de la saveur des leptons ( ee, eµ et µµ et du nombre de jet (0,1, > 2) dans l’événement. Les leptons doivent avoir une charge opposée, de plus dans le cas où ils ont la même saveur, les leptons ne doivent pas posséder une masse compatible avec un boson Z : |m_ll − m_Z| > 15 GeV et être supérieure à 12 GeV. Dans les catégories comportant au plus un jet sensible à la fusion de gluons pour des leptons de même saveur, des coupures additionnelles sont appliquées pour rejeter le bruit de fond Drell-Yan. Ces coupures sont appliquées sur une combinaison de l’impulsion des traces manquantes, l’énergie manquante et du plus petit angle azimutale entre l’énergie manquante et un lepton ou un jet. Une coupure sur le recul hadronique opposé au système de deux leptons est réalisée, ce recul tend à être plus faible dans les événements Drell-Yan.

Dans les événements possédant au moins deux jets, les deux jets de plus grande impulsion doivent avoir une masse invariante supérieure à 500 GeV et une séparation en pseudo-rapidité supérieure à 2.8 permettant d’être sensible à la production par VBF. De plus les deux leptons doivent se trouver entre les deux jets et aucun autre jet ne doit être présent dans ce même

intervalle. L’impulsion totale dans l’événement définie par la somme vectorielle de tous les objets présents dans l’événement doit être inférieure à 45 GeV afin de réduire la contamination provenant des événements t¯t. De plus, les événements possédant au moins un jet de b sont

rejetés.

Les bruits de fond principaux dans l’analyse sont le continuum W W(∗), la production de quarks top à la fois seul et par paire et la désintégration du boson Z en paire de taus. Une fraction non négligeable d’événements de bruit de fond contenant un boson W produit en association avec des jets ou de paire Z/γ^∗ sont présents. Les événements contenant des paires de W γ(∗), W Z et ZZ^∗ sont également des bruits de fond pour les catégories contenant au moins deux jets.

Le nombre d’événements de signal est extrait à partir de la distribution de la masse trans-verse du système de deux leptons définie comme :

m_T = [(E_T^ll+ E_T^manquante)²− |~p_T^ll+ ~E_T^manquante|2]^1/2 avec E_T^ll = (|~p_T^ll|2+ m²_ll)^1/2 (181) La distribution de cette variable est montrée sur la figure 72. Cette analyse contraint surtout le couplage au boson W et le couplage au gluon. Sa combinaison avec l’analyse H → ZZ^∗ permet de tester la symétrie custodiale qui implique que les couplages au boson W et Z dévient de la même manière. La combinaison de ces trois premières analyses permet de contraindre les couplages entre le Higgs et les bosons de jauge mais également le spin du boson de Higgs.

En effet, l’utilisation de variables sensibles à la valeur du spin du boson de Higgs permet de tester les différentes hypothèses de spin et parité. Les variables utilisées sont la distribution angulaire entre les photons pour H → γγ et les leptons pour H → ZZ^∗ et H → W W^∗ mais également de la masse invariante des systèmes de leptons et la variable de sortie du BDT des analyses. L’hypothèse du modèle standard 0+ a pu être comparée aux hypothèses alternatives

J^p = 0⁻, 1⁻, 1⁺ et 2⁺, toutes les hypothèses alternatives ont pu être rejetées à au moins 97.8% degré de confiance. Les données favorisent donc le spin et la parité prévus par le modèle standard. Les deux dernières analyses vont permettre de contraindre le secteur de Yukawa.

Le canal H → τ τ

La quatrième analyse a être incluse dans la combinaison est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en une paire de leptons tau [12]. L’analyse est divisée en trois sous-canaux qui dépendent de la désintégration hadronique (en pions accompagnés de neutrino) ou leptonique du tau (en un lepton chargé et deux neutrinos) : (τ_lepτlep, τlepτhad, τhadτhad). Dans chacun de ces canaux, deux catégories sont définies : la catégorie boostée et la catégorie VBF. La catégorie boostée contient les événements dans lequel le boson de Higgs est produit avec une impulsion transverse supérieure à 100 GeV, cette catégorie est sensible à la fusion de gluons. La catégorie VBF qui possède la plus grande sensibilité contient des événements avec deux jets possédant une grande séparation en pseudo-rapidité. Toutes les catégories utilisent un BDT pour améliorer la discrimination du signal par rapport au bruit de fond. Les BDT possèdent de 5 à 9 variables d’entrée, l’une d’entre elle est la masse du système de tau dont la reconstruction dûe à la présence de neutrinos est délicate, sa distribution est montrée par la figure 73a.

Le bruit de fond principal est irréductible, il s’agit de la désintégration du boson Z en une paire de taus. Ce bruit de fond est évalué en utilisant des événements Z → µµ provenant des données où les muons sont remplacés par des taus dont la désintégration est simulée par méthode monte-carlo.

(a) (b)

Figure 72 – Distribution de la masse invariante (a) pour l’ensemble des catégories 0 et 1 jet sensible à la fusion de gluons et (b) pour les catégories comportant au moins 2 jets sensibles à la production par VBF.

Le nombre d’événements de signal est extrait à partir de la distribution de la variable de sortie du BDT.

L’analyse H → τ τ est l’une des deux analyses permettant de contraindre le secteur de Yukawa du boson de Higgs et la seule assez sensible à l’heure actuelle pour mettre en évidence la désintégration en leptons. De plus, cette analyse est sensible à la production VBF, en effet les catégories possédant la meilleure signification statistique sont les catégories VBF.

Le canal H → bb

La dernière analyse incluse dans la combinaison est la recherche du boson de Higgs se dés-intégrant en une paire de quarks b [15]. Il s’agit de la désintégration dominante du boson de Higgs avec un rapport d’embranchement de 57%, toutefois une recherche inclusive de cette désintégration n’est pas possible dans un détecteur hadronique telle que le LHC à cause de la production importante d’événements possédant un ou plusieurs jets, le bruit de fond multijet. Ainsi, pour mettre en évidence cette désintégration, il est nécessaire d’utiliser les modes de production sous-dominants. Une possibilité est d’utiliser la production associée à un boson W ou Z, la présence de leptons provenant des désintégrations W → lν et Z → ll ou d’énergie transverse manquante provenant de la désintégration Z → νν permet de déclencher l’enregis-trement de l’événement et de réduire le bruit de fond. L’analyse est donc composée de trois sous canaux en fonction du nombre de leptons présents dans l’événement. La présence de deux jets de b est nécessaire. Afin d’améliorer la sensibilité, chacun des trois sous canaux est divisé en catégorie dépendant du nombre de jets, du nombre de jets de b et de l’impulsion transverse du boson de jauge. Des coupures topologiques et cinématiques sont appliquées afin d’améliorer la sensibilité de l’analyse. Les catégories contribuant le plus sont celles où l’impulsion transverse du boson de jauge est grande et où deux jets de b sont présents. Les autres catégories sont utilisées pour contraindre les bruits de fond.

(a) (b)

Figure 73 – (a) Distribution de la masse invariante du système de taus et (b) distribution de la masse invariante de la paire de quarks b

production de bosons de jauge en association avec des jets. L’analyse est présentée en détails dans une autre section de la thèse. Le nombre d’événements de signal est extrait à partir de la distribution de la masse invariante de la paire de quarks b illustrée sur la figure 73b.

Dans le cadre de la combinaison, l’analyse permet de contraindre le couplage aux fermions et plus précisément le couplage aux quarks de type down. Ce couplage est très important car il s’agit de la contribution dominante dans la formule 179. L’analyse contraint également le mode de production en association avec une paire de bosons de jauge.

L’ensemble des catégories utilisées dans la combinaison est résumé dans la table 13.