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Measurements of the Higgs boson properties from off-shell production in the ZZ→ 2l2ν final state with the CMS detector

par Wang, Hanwen
Président du jury Favart, Laurent
Promoteur Vanlaer, Pascal ;Shen, Chengping
Co-Promoteur Yuan, Li
Publication Non publié, 2023-03-10

Thèse de doctorat

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Résumé :	Following the discovery of a new boson, consistent with the standard model (SM) Higgs boson, by the ATLAS and CMS collaborations in proton-proton collisions at the LHC, numerous Higgs boson properties have been measured, including mass, spin, parity, width, coupling strengths, decay rates, and fiducial differential cross sections. The width measurement of the Higgs boson, however, remains challenging. The SM-predicted Higgs width is approximately 4.1 MeV, while the invariant mass resolution of the Higgs boson reconstructed from the four charged leptons or di-photon channels is around 1 GeV—far from the required measurement resolution using the reconstructed mass peak. This study aims to refine the Higgs width measurement by relating off-shell production strength to on-shell production strength in the the ZZ channels, using data recorded by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2015 to 2018.The ZZ→ 4l final state presents minimal background, enabling the clear observation of the on-shell Higgs boson peak. In the meanwhile, the ZZ→ 2l2ν final state offers an approximately six-fold larger branching ratio than the ZZ→ 4l state, allowing for the measurement of off-shell Higgs productions, albeit with larger background contributions and reduced sensitivity in the on-shell region. Both final states are observed to have similar sensitivities to off-shell H boson production. To extract the Higgs width, data from both channels are combined. This thesis presents a detailed analysis based on the ZZ→ 2l2ν final state, focusing on the charged-lepton identification efficiency, event level trigger efficiency, and background estimation of non-resonant processes.By combining the on-shell and off-shell analyses from both ZZ→ 4l and ZZ→ 2l2ν channels, thisstudy observes the first evidence of off-shell ZZ production (3.6σ) and significantly improves theprecision of the Higgs width measurement. The final measured value is 3.2+2.4 MeV, consistent withthe SM prediction.
	Suite à la découverte d’un nouveau boson, compatible avec le boson de Brout-Englert-Higgs du modèle standard (SM), par les collaborations ATLAS et CMS dans les collisions proton-proton au LHC, de nombreuses propriétés du boson H ont été mesurées, notamment la masse, le spin, la parité, les couplages, les taux de décroissance et les sections efficaces différentielles fiducielles. La mesure de la largeur du boson H reste cependant difficile. La largeur prédite par SM est d’environ 4,1 MeV, tandis que la résolution en masse invariante du boson H reconstruit à partir du canal en quatre leptons chargés ou du canal di-photons est d’environ 1 GeV, loin de la résolution requise. Cette thèse de doctorat vise à affiner la mesure de la largeur du boson H en reliant la force du signal de production de bosons H fortement virtuels (> 200 GeV) à la force du signal de production de bosons H de masse nominale ( 125GeV) dans les canaux ZZ, en utilisant les données enregistrées par l’expérience CMS de 2015 à 2018 à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. L’état final →ZZ→ 4l présente un bruit de fond minimal, permettant l’observation claire du pic du boson H. L’état final ZZ→ 2l2ν, sur lequel porte cette thèse, offre un rapport d’embranchement environ six fois supérieur à celui de l’état →ZZ→ 4l, ce qui permet de mesurer les productions de bosons H fortement virtuels, mais avec des bruits de fond plus importants et sans être sensible au pic correspondant à la masse nominale. Nous observons que les deux états finaux ont des sensibilités comparables à la contribution de bosons H fortement virtuels. Pour extraire la largeur du boson H, les données des deux canaux sont combinées. Cette thèse présente une analyse détaillée basée sur l’état final ZZ→ 2l2ν, en se concentrant sur l’efficacité d’identification des leptons chargés, l’efficacité du système de déclenchement de CMS pour les événements ZZ→ 2l2ν, et l’estimation du bruit de fond causé par les processus non résonnants.En combinant les analyses on-shell et off-shell des canaux →ZZ→ 4l et ZZ→ 2l2ν, nous établissons la première évidence de bosons H fortement virtuels, à un niveau de signification de 3,6 sigma, et nous améliorons considérablement la précision de la mesure de la largeur du boson H. La valeur mesurée finale est de 3,2+2,4-1,7 MeV, compatible avec la prédiction du modèle standard.
	继ATLAS 和 CMS 合作组在大型强子对撞机(LHC)的质子-质子对撞实验中发现希格斯 粒子之后，科学家对其性质也进行了详细的测量，其中包括质量、自旋、宇称、宽度、耦合 强度、衰变率、基准微分截面等。在这些测量中，希格斯粒子的宽度测量颇具挑战性。标准 模型中预言的希格斯粒子的宽度约为 4.1 MeV，而由四个带电轻子或双光子衰变末态重建的 希格斯粒子在实验中的质量分辨率约为 1 GeV，远远超过利用其不变质量谱共振峰测量宽度 的分辨率要求。本文利用2015-2018 年LHC上CMS 实验记录的质心能量为 13 TeV 的质子-质 子对撞数据，通过 ZZ 衰变末态将希格斯粒子的离壳信号强度与在壳信号强度相关联的方 法，对希格斯粒子宽度进行了更精确的测量。ZZ→ 4l末态的本底背景贡献较低，使我们能够清晰地观察到在壳的希格斯粒子共振峰。同 时，ZZ→ 2l2ν末态的分支比约为ZZ→ 4l末态的六倍，我们可以从中得到更多的离壳希格斯 事例，但此衰变末态也伴随着显著的本底背景干扰从而损失了在壳区域的灵敏度。在实验 中，我们发现两种末态在离壳区域贡献的灵敏度大致相当。此项工作对 ZZ→ 2l2ν 末态的分 析进行了详细描述，并将重点放在轻子鉴别效率研究、事例级触发效率研究以及非共振态过 程的本底背景估计上。在分析中，结合希格斯粒子衰变到ZZ→ 4l 末态和ZZ→ 2l2ν末态的在壳和离壳事例，我们首次观测到希格斯粒子离壳事例存在的证据(3.6倍标准偏差)，并且使得希格斯粒子宽度的测量精度显著提高，最终测量值为3.2+2.4 MeV，与标准模型的预言一致。