Implementation and application of machine learning techniques for the analysis of Higgs Boson Decays to Tau Leptons with the CMS experiment

Abstract

In dieser Dissertation werden zwei Messungen von Higgs-Boson-Zerfällen zu Tau- Leptonen präsentiert. Hierfür werden Daten von Proton-Proton-Kollisionen am CERN Large Hadron Collider analysiert, welche vom Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment in den Jahren 2016 und 2017 bei einer Schwerpunktsenergie von 13TeV aufgezeichnet wurden. Die Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von 35:9 fb-1 und 41:5 fb-1 für das Jahr 2016 bzw. 2017. Im ersten Teil der Arbeit wird der inklusive Wirkungsquerschnitt, incl, des Zerfalls von einem Higgs-Boson in ein Tau-Lepton-Paar gemessen. Weiters wird der Wirkungsquerschnitt abhängig von den individuellen Produktions-Mechanismen sowie in diversen kinematischen Regionen des Higgs-Bosons betrachtet. Für die Trennung von Untergrund- und Signal-Prozessen wird ein Klassifikationsalgorithmus, welcher auf einem künstlichen neuronalen Netz basiert, eingesetzt. Das Ergebnis der Messung des inklusiven Wirkungsquerschnittes lautet sigma_incl B(H->tautau) = 2:56 pb 0:48 (stat) pb 0:34 (syst) pb. Im zweiten Teil wird die Suche nach zusätzlichen neutralen Higgs-Bosonen, welche in Tau-Leptonen zerfallen, im Rahmen des minimalen supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) vorgestellt. Es wurde keine signifikante Abweichung von der Untergrund-Hypothese beobachtet. Die durchgeführten Messungen werden verwendet, um modellunabhängige Ausschlussgrenzen für die Produktion eines Higgs-Bosons durch Gluon-Fusion, sowie in Kombination mit Bottom-Quarks, zu bestimmen. Weiters wird das Ergebnis innerhalb von Theorien jenseits des Standardmodells interpretiert.

Two measurements on Higgs boson decays to tau leptons are presented in this thesis. They are based on proton-proton collisions at the CERN Large Hadron Collider recorded by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment in 2016 and 2017, corresponding to an integrated luminosity of 35:9 fb-1 and 41:5 fb-1 at a centre-of-mass energy of 13TeV, respectively. A measurement of the inclusive cross section, incl, of a Higgs boson decay to a pair of tau leptons, H-> tau tau is presented. The results are also presented in terms of cross sections for individual Higgs boson production modes and kinematic regimes. To differentiate between signal and background processes a neural network classification algorithm is used. A value of Sigma_incl B(H->tau tau) = 2:56 pb0:48 (stat) pb0:34 (syst) pb is obtained for the inclusive measurement. A search for additional neutral Higgs bosons decaying to a pair of tau leptons is presented in the context of the minimal supersymmetric extension of the standard model (MSSM). No significant deviation with respect to the background-only hypothesis is observed. Model-independent upper limits are set on the product of the Higgs boson production cross section via gluon fusion or in association with bottom quarks and the branching fraction for the decay to a pair of tau leptons. Furthermore, exclusion contours in the context of selected MSSM benchmark scenarios are provided.