Mesure des propriétés du boson de Higgs via ses désintégrations en quatre leptons dans les collisions pp à 13 TeV dans le détecteur CMS

This thesis presents the measurements of Higgs (H) boson properties in the four-lepton decay channel in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the CMS detector. The discovery of the Higgs boson is considered as the ultimate verification of the Standard Model. It solves the problem of the origin of elementary particles mass and provides unitarization at high energy. After the discovery was announced by the ATLAS and CMS Collaborations further studies of the properties of the Higgs boson were performed exploiting Run I data at collision energies of 7 and 8 TeV. While the discovery relied on a combination of studies in five different decay channels, two of them provided most of the sensitivity and a measurement of the H boson mass: it’s decay to a pair of photons and the decay to a pair of Z bosons that both decay into pairs of electrons or muons. For the Run II at 13 TeV, significant improvements in many aspects of the H → ZZ* → 4ℓ analysis are introduced with respect to the previously reported measurements by the CMS Collaboration. Because of its large signal-to-background ratio and complete reconstruction of all final state particles with an excellent resolution, the channel allows for precise measurements of Higgs boson properties. It is often referred to as the "golden channel". My contribution to the analysis is twofold, improving the electron selection efficiency measurements and leading the analysis of data recorded in 2017 as the main author. For each selection step of the analysis, the efficiency has to be carefully measured in data and in simulation and observed differences need to be accounted for with the application of the scale factors. I have derived scale factors for electrons in the H → ZZ* → 4ℓ analysis using the Tag-and-Probe method. While performing my studies I have introduced several improvements and my results were also used by many other analyses in the CMS Collaboration. There are several important steps in the H → ZZ* → 4ℓ analysis. It all starts with the trigger that is designed to have the highest possible efficiency for signal events. Triggered events are studied and the ones with four leptons that pass specially designed selection criteria are used to build ZZ candidates. Selected events are further classified into event categories targeting different H boson production mechanisms. For each event category and final state, reducible and irreducible backgrounds are estimated and the signal is modelled and parametrized as a function of the H boson mass. Three main observables providing good separation between signal and background are defined and used to build likelihoods used in the statistical analysis: the four-lepton invariant mass, matrix element kinematic discriminants, and per-event mass uncertainties. Finally, each possible source of the systematic uncertainties is carefully studied and its effect is measured and accounted for in the maximum likelihood fits used to extract the results. Results of the analysis of Run II data are presented for two data sets recorded in 2016 and 2017, corresponding to integrated luminosities of 35.9 fb-1 and 41.5 fb-1, respectively. The signal strength modifiers relative to the Standard Model prediction, the mass and decay width of the boson, differential and inclusive cross sections are measured using 2016 data. All results are found to be in good agreement with the Standard Model expectations for a Higgs boson within the uncertainties. I was the main author of the analysis of 2017 data that yielded a measurement of the signal strength modifiers and simplified template cross sections. Finally, I also performed a measurement of the signal strength modifiers on combined 77:4 fb1 of data collected in 2016 and 2017 that is again found to be compatible with the Standard Model predictions. A simultaneous fit to all channels, combining 2016 and 2017 data, resulted in a measured global signal strength modifier of μ = σ/σSM = 1.06 ± 0.10(stat)+0.08-0.06(exp.syst)+0.07 -0.05(th.syst) = 1.06+0.15 -0.13 at mH = 125.09 GeV. New frontiers are reached as the statistical and systematical contributions to the total uncertainty on the inclusive signal strength measurement are considerably reduced and of the same size.Prošireni sažetak Otkriće Higgsovog bozona se sigurno može svrstati među najvažnije događaje u povijesti fizike i često se smatra kao konačna potvrda Standardnog Modela (SM) elementarnih čestica, teorije koja objašnjava tri od četiri poznate sile. Ovaj rad prezentira istraživanja svojstava novootkrivene čestice kroz njen kanal raspada H → ZZ* → 4ℓ, ℓ = e, μ. Istraživanje je provedeno od 2015. do 2018. godine i analizira 77.4 fb-1 podataka prikupljenih detektorom Compact Muon Solenoid (CMS, Kompaktni Mionski Solenoid). Uvod u fiziku Higgsovog bozona i Standardni Model Elementarne čestice u Standardnom Modelu su leptoni, kvarkovi, baždarni bozoni i Higgsov bozon. Elementarnu česticu karakteriziraju svojstva poput mase, naboja, spina i okusa. Leptoni i kvarkovi su grupirani u tri obitelji s po četiri fermiona koji imaju spin 1/2. Prenositelji sile u Standardnom Modelu su 3 masivna baždarna bozona Z, W+ i W— za slabu silu, foton koji nema masu za elektromagnetsku silu, i osam gluona koji također nemaju masu i nositelji su jake sile. Posljednja otkrivena elementarna čestica je Higgsov bozon, masivna čestica spina nula. Standardni Model je kvantna teorija polja koja ima lokalnu baždarnu simetriju grupe SU(3)C × SU(2)L × U(1)Y . Osnovni elementi teorije su kvantna polja, a njihova dinamika je zadana Lagrangianom L. Lagrangiane za jaku i elektroslabu interakciju gradimo tako da zahtijevamo lokalnu baždarnu invarijantnost na grupu simetrije Standardnog Modela. Takva teorija je izrazito uspješna i precizna u predviđanju interakcija elementarnih čestica, ali ima veliku manu da previđa kako niti jedna elementarna čestica nema masu. Grupa od šest znanstvenika: Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen i Kibble je u tri nezavisna članka predložila rješenje tog problema kroz primjenu spontanog narušenja simetrije elektroslabog sektora. Takav mehanizam predviđa postojanje novog kvantnog polja u teoriji i nove elementarne čestice Higgsovog bozona. Postoje razni načini na koje se Higgsov bozon može proizvesti, a najvažniji u hadronskim sudaračima čestica su: fuzija gluona, fuzija vektorskih bozona, produkcija uz vektorski bozon i produkcija uz gornji ili "vrh" kvark. Također, postoje razni raspadi Higgsa na elementarne čestice, a od bronjih mogu´cnosti najzanimljiviji za istraživanje su raspadi na par kvarkova, raspadi na par vektorskih bozona ili na par fotona. U ovom radu se razmatra takozvani "zlatni kanal" raspada u dva Z bozona koji se dalje raspadaju na ukupno četiri leptona. To je jedan od glavnih kanala u velikom otkriću Higgsovog bozona koji su 4. srpnja 2012. godine objavili A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) i CMS kolaboracije. Iako je vjerojatnost raspada Higgsovog bozona kroz zlatni kanal jako mala i iznosi samo 0.0124%, ovaj kanal odlikuju neke karakteristike koje ga čine posebnim, a to su: kompletna rekonstrukcija čestica na koje se raspada, vrlo dobra rezolucija kod mjerenja količine gibanja tih čestica i odličan omjer signalnih i pozadinskih događaja. CMS eksperiment u Velikom Sudaraču čestica u CERN-u Europsko vijeće za nuklearna istraživanja (CERN) je međunarodna institucija za nuklearna istraživanja osnovana 1954. kojoj su glavni cilj fundamentalna istraživanja na području fizike elementarnih čestica. CERN je najveći znanstveni laboratorij na svijetu, ima najsloženije znanstvene mjerne instrumente i druge uređaje potrebne za istraživanja. Najvažniji instrumenti u CERN-u su akceleratori i detektori čestica. Jedan od tih akceleratora je veliki hadronski sudarač (LHC) koji leži u tunelu kružnog oblika, opsega 27 km, 175 metara ispod francusko-švicarske granice, nedaleko od Ženeve, Švicarska. LHC je sagrađen dizajniran i izgrađen u suradnji više od 10000 znanstvenika iz preko 100 zemalja kao i stotina sveučilišta i laboratorija. Dva glavna detektora na LHC-u, dizajnirana i izgrađena za potragu za Higgsovim bozonom, su ATLAS i CMS. CMS je kompaktni mionski solenoid, što znači da su mu glavne karakteristike: male dimenzije s obzirom na masu, napredni sustav za detekciju miona i supravodljivi magnet u obliku zavojnice. Sastoji se od više manjih pod-detektora koji su dizajnirani za obavljanje specifičnih zadataka. Odmah oko točke u kojoj se sudaraju čestice nalazi se sustav za detekciju tragova koji je temeljen na ideji da elementarna čestica kada prođe kroz silicijev detektor ostavi električni signal. Nakon njega slijede elektromagnetski i hadronski kalorimetar kojima je cilj zadržati čestice i izmjeriti njihovu energiju. Supravodljivi magnet služi za zakretanje putanja nabijenih čestica što pomaže kod mjerenja količine gibanja i električnog naboja čestica. Konačno, najveći dio CMS detektora su mionske komore koje služe za detekciju miona. Mioni su elementarne čestice slične elektronima, dolaze iz druge obitelji elementarnih čestica i razlikuju se jedino po masi. Upravo zato što su masivniji od elektrona postoji jako mala vjerojatnost da će interagirati s materijalom iz elektromagnetskog kalorimetra i bez mionskih komora ne bismo ih mogli detektirati. čestice se sudaraju svako 25 ns, a moguće je sačuvati samo nekoliko stotina Hz podataka, pa je dizajniran posebni sustav za okidanje (trigger) koji u jako kratkom vremenskom roku odlučuje je li neki događaj zanimljiv za pohranu ili ne. Detektori se stalno obnavljaju i unapređuju kako bi mogli s visokom efikasnosti snimati događaje. Upravo zato je na početku 2017. godine unutarnji sustav za detekciju tragova unaprijeđen, što je rezultiralo u boljoj mogućnosti razlučivanja elektrona i miona od pozadinskih događaja. Događaji koji su pohranjeni idu dalje na rekonstrukciju fizikalnih objekata. Komplicirani algoritmi su posebno dizajnirani tako da od šume podataka koja se sastoji od pogodaka u sustavu za detekciju tragova i mionskim komorama, te depozita energije u kalorimetrima rekonstruiraju fizikalne objekte i njihova svojstva. Nakon procesa rekonstrukcije imamo elektrone, mione, hadronske mlazove čestica (eng. jet) i nedostajuću transverzalnu energiju (eng. missing transverse energy) koja ukazuje na prisustvo neutrina. Naravno, proces rekonstrukcije nije 100% efikasan, a uz to pozadinski signali mogu biti pogrešno rekonstruirani kao fizikalni objekti. Upravo iz tog razloga analize koje koriste fizikalne objekte dobivene rekonstrukcijom moraju dizajnirati dodatne zahtjeve na takve objekte da bi osigurali što manje pozadine u svojim podatcima. Odabir elektrona i mjerenja efikasnosti Glavne čestice koje detektiramo u H → ZZ* → 4ℓ su elektroni i mioni. Moj rad je doprinio unapređenju mjerenja efikasnosti odabira elektrona na stvarnim i simuliranim podatcima. Rekonstruirane elektrone prvo treba kalibrirati. Naime, detektor prolazi kroz stalne promjene poput gubljenja transparentnosti kristala u elektromagnetskom kalorimetru i kada takve efekte ne bismo uzeli u obzir mjerenje količine gibanja elektrona bilo bi pogrešno. Upravo iz tog razloga se pažljivom analizom podataka kalibrira količina gibanja elektrona u prikupljenim podatcima, ali i u simuliranim podatcima. Važan dio u fizici elementarnih čestica je Monte Carlo (MC) simulacija koja nam omogućava da predviđanja teorije prevedemo u očekivana mjerenja u našem detektoru. Nakon što su elektroni kalibrirani potrebno je osmisliti uvjete koje ćemo zahtijevati prilikom njihovog odabira za analizu. Cilj takvih uvjeta je što veća efikasnost za prave elektrone, a da je efikasnost za pozadinu što manja. U ovom slučaju pozadina bi bili elektroni iz hadronskih mlazova čestica ili signali iz detektora koji su pogrešno rekonstruirani kao elektroni. Odabir elektrona se odvija u nekoliko koraka: • Udaljenost od centra sudara, transverzalna količina gibanja i pseudorapiditet: set jednostavnih uvjeta na osnovne elektronske varijable, • Identifikacija elektrona: analiza na desetke varijabli osjetljivih na različite vrste pozadina koje se kombiniraju uz pomoć tehnika stabala odluke (eng. boosted decision tree) kako bi se postiglo što bolje odvajanje signala od pozadine • Izolacija elektrona: uvjet da se u neposrednoj blizini elektrona ne nalaze nikakve druge čestice. Dok se za analizu podataka prikupljenih 2016. godine koristio ovakav pristup, u analizi 2017. je odabir elektrona unaprijeđen korištenjem izolacijskih varijabli u stablima odluke prilikom identifikacije. Ovakav pristup je za istu efikasnost signalnih elektrona znatno smanjio efikasnost pozadine. Nakon što je napravljen odabir elektrona od velike je važnosti izmjeriti njegovu efikasnost na stvarnim podatcima i u simulaciji i ispraviti sve opažene razlike. Razvijena je standardna metoda "označi i ispitaj" (eng. tag and probe TnP) koja koristi događaje iz standardne svijeće Z → ℓ+ ℓ- kako bi izgradila uzorak elektronskih kandidata. Prvo se iz odabranih podataka označe elektroni s vrlo strogim uvjetima koji osiguravaju izrazito veliku vjerojatnost da su to pravi elektroni pa se u tom istom događaju traže elektroni koji u paru s označenim elektronom imaju masu u blizini mase Z bozona. Tako dobivamo kolekciju elektrona na kojima možemo ispitivati efikasnost pojedinog odabira koja je omjer broja elektrona koji zadovoljavaju uvijete odabira i ukupnog broja elektrona za ispitivanje. Na taj način su mjerene efikasnosti odabira u H → ZZ* → 4ℓ analize, a postignuti rezultati su postali službeni rezultati CMS kolaboracije, te su korišteni u raznim drugim analizama u CMS-u. Efikasnost je mjerena na stvarnim i simuliranim podatcima i razlika između njih je ispravljena primjenom faktora za skaliranje (eng. scale factor). Efikasnost se može mjeriti na razne načine, a jedan od najučestalijih je da se elektroni koji prolaze i ne prolaze zadani odabir prilagode (eng. fit) na neku analitičku funkciju. Prilikom promatranja raznih prilagodbi funkcija uočena je zanimljiva nakupina događaja za elektrone s određenim transverzalnom količinom gibanja. Detaljna ispitivanja na simulacijama su pokazala da su to signalni elektroni koji imaju lošije izmjerenu količinu gibanja zbog izračenog fotona ili zbog toga što su završili u pukotinama između kristala u elektromagnetskom kalorimetru. Kako bi se takvi elektroni bolje tretirali u analizi odlučeno je da se za elektrone iz pukotina posebno mjere faktori za skaliranje, a za elektrone koji su izračili foton je unaprijeđen algoritam za njihov oporavak (eng. FSR recovery algorithm). Glavni elementi u H → ZZ* → 4ℓ analize Početna točka analize su prikupljeni i simulirani podatci. Rad u ovoj tezi temelji se na 35:9 fb-1 podataka prikupljenih u 2016. godini i 41:5 fb-1 prikupljenih u 2017. Monte Carlo simulacijom generiraju se signalni i pozadinski procesi koje teorija predviđa. Uz glavne procese simuliraju se hadronizacija kvarkova i gluona, dodatne pozadinske interakcije i naposljetku se simulira prolazak svih tih čestica kroz CMS detektor. Za signal se simuliraju glavni načini proizvodnje predviđenih teorijom za Higgsov bozon mase 125 GeV. Postoje dvije vrste pozadina: nesvodljiva pozadina koja ima iste čestice u konačnom stanju, ali u procesu nije stvoren Higgsov bozon i svodljiva pozadina koja se dobiva zbog nesavršenosti detektora i pogrešne rekonstrukcije čestica. Nesvodljiva pozadina u ovoj analizi dolazi od fuzije gluona i anihilacije para kvark-antikvark koje proizvode par Z bozona koji se dalje raspadaju na ukupno četiri leptona. Svodljivu pozadinu je jako teško simulirati te se iz tog razloga procjenjuje iz podataka koristeći dvije nezavisne metode. Njen dominantan izvor su događaji koji sadrže jedan Z bozon i razne druge čestice koje mogu biti krivo detektirane pa se iz tog razloga grupno označavaju kao Z + X pozadina. Da bismo odabrali događaje za koje mislimo da bi u sebi mogle sadržavati Higgsov bozon koji se raspada u četiri leptona moramo postaviti neke uvjete. Na leptone postavljamo uvjete koji smanjuju pozadinu dok zadržavaju vrlo visoku efikasnost za signal. Leptoni koji prežive taj odabir se kombiniraju u Z bozone tako da sparujemo leptone suprotnog naboja i istog okusa e+e-, μ+ μ-. U događajima koji imaju dva Z bozona tražimo dodatne uvjete kako bismo uklonili pozadine koje je teško simulirati i na kraju ostajemo s događajima koji su kandidati za produkciju Higgsovog bozona. Prikupljeni događaji se kategoriziraju u svrhu razlikovanja različitih načina produkcije Higgsovog bozona. Kategorije su dizajnirane tako da imaju visoku koncentraciju događaja koji su nastali traženom produkcijom Higgsovog bozona dok je doprinos ostalih produkcija što manji moguć. Koristimo nekoliko vrsti varijabli za određivanje kategorije događaja, a to su: varijable koje određuju broj dodatnih objekata poput hadronskih mlazova i dodatnih leptona u događaju i kinematičke diskriminante temeljene na računanju matričnih elemenata. Kinematičke diskriminante se računaju tako da se iz četveroimpulsa leptona i dodatnih objekata u događaju, koristeći Lagrangian Standardnog Modela, računaju amplitude, tj. matrični elementi. Te amplitude se računaju za signalne i pozadinske procese i predstavljaju vjerojatnost pojavljivanja određenog događaja. Možda i najvažniji element svake analize je odabir varijabli koje omogućuju razlikovanje signala od pozadine i koje se koriste kasnije u statističkoj analizi i određivanju konačnih rezultata. U H → 4ℓ analizi tri glavne varijable koje se koriste su: invarijantna masa četiri leptona, kinematička diskriminanta i pogreška izmjerene mase. Ovdje je potrebno naglasiti da postoji kinematička diskriminanta koja za računanje koristi samo varijable osjetljive na raspad Higgsovog bozona. Takva diskriminanta vrlo dobro razlikuje signal produkcije Higgsovog bozona od pozadine ali ne može razlučiti između različitih načina produkcije Higgsovog bozona. Iz tog razloga su kod analize podataka prikupljenih u 2017. godini razvijene dvije nove diskriminante koje za računanje koriste i četveroimpulse dodatnih hadronskih mlazova rekonstruiranih u događaju, te uz pomoć njih uspijevaju razlučiti fuziju vektorskih bozona i produkciju Higgsovog bozona uz vektorski bozon od dominante produkcije fuzijom gluona. Signalna i pozadinska distribucija invarijantne mase četiri leptona u statističku analizu ulaze kao analitičke funkcije koje se dobivaju prilagodbom na podatke prikupljene iz simulacije. Kako bi analiza bila što fleksibilnija i mogla mjeriti masu Higgsovog bozona signalne funkcije su parametrizirane s obzirom na masu Higgsovog bozona. Konačno, dodatne analize su potrebne kako bi se detaljno ispitali svi mogući uzroci sistematskih pogrešaka. Dominantni izvori s eksperimentalne strane su mjerenja efikasnosti odabira leptona, kalibracija količine gibanja leptona, mjerenja integriranog luminoziteta prikupljenih podataka, određivanje svodljive Z + X pozadine, kalibracija hadronskih mlazova, itd. Uz eksperimentalne postoje i teoretske sistematske pogreške koje dolaze iz nesigurnosti teoretskih proračuna. Neke od njih su odabir partonske distribucijske funkcije, renormalizacijska i faktorizacijska skala, korekcije višeg reda, itd. Svi elementi analize se ujedinjuju u statističkom modelu koji koristi pristup maksimalne vjerojatnosti (eng. maximum likelihood). U tom pristupu se izgradi funkcija vjerojatnosti (eng. likelihood function) L(podatcij|θ), gdje θ označava parametre koje želimo izmjeriti. Parametri θ se određuju tako da maksimiziraju funkciju vjerojatnosti, ili intuitivno biramo one vrijednosti parametara koje čine izmjerene podatke najvjerojatnijim. Funkcije vjerojatnosti mogu biti jedno, dvo ili trodimenzionalne, ovisno o tome koliko varijabli koriste, a grade se od signalnih i pozadinskih funkcija invarijantne mase, dvodimenzionalnih predložaka (eng. template) kinematičkih diskriminanti i analitičkih funkcija za pogrešku izmjerene mase. Mjerenje svojstava Higgsovog bozona s podatcima prikupljenim 2016. godine Podatci prikupljeni u 2016. godini su detaljno analizirani kroz gore opisani proces i izmjerena su svojstva Higgsovog bozona u zlatnom kanalu po prvi puta na novoj energiji od 13 TeV. Prikupljeno je 35:9 fb-1 događaja i oni su uspoređeni sa simulacijom kroz distribucije raznih varijabli i vrlo dobro slaganje je uočeno na punom rasponu invarijantne mase četiri leptona. Također, jako dobro slaganje podataka sa simulacijom je prisutno i kod predviđenog i opaženog broja događaja u pojedinim kategorijama. Izmjerena je ukupna jakost signala (eng. signal strength), koja se definira kao omjer izmjerenog udarnog presjeka i udarnog presjeka predviđenog Standardnim Modelom, od μ = σ/σSM = 1.05+0.15-0.14(stat)+0.11-0.09(syst) = 1.05+0.19 -0.17 za Higgsov bozon mase mH = 125.09 GeV. Također, izmjereni su jačine signala za glavne načine produkcije Higgsovog bozona, kao i za fermionske doprinose i doprinose vektorskih bozona očekivanom udarnom presjeku. Sve izmjerene vrijednosti su u slaganju s predviđanjima Standardnog Modela unutar nesigurnosti mjerenja. Nadalje, izmjeren je udarni presjek u volumenu mjerenja (eng. fiducial volume), koji je dizajniran tako da se olakša teorijska reprezentacija rezultata umanjivanjem detektorskih efekata. Izmjeren je udarni presjek od σfid = 2.92+048 -0.44(stat)+0.28 -0.24(syst) fb, što je u slaganju s predviđanjima iz Standardnog Modela σSMfid = 2.76 ± 0.14 fb. Udarni presjek je izmjeren i kao funkcija energije u centru mase sudara, transverzalne količine gibanja Higgsovog bozona, broja hadronskih mlazova u događaju i transverzalne količine gibanja vodećeg hadronskog mlaza u događaju. Ponovno su sva mjerenja u skladu s očekivanjima Standardnog Modela unutar neodređenosti mjerenja. Konačno, izmjerena je masa Higgsovog bozona od mH = 125.26±0.2