Search for ttH production at the LHC

Abstract

The recent discovery of a Higgs boson with a mass close to 125 GeV, by the ATLAS and CMS experiments at the CERN LHC, represented a remarkable accomplishment of the Standard Model of particle physics. Studying this newly discovered particle provides insight into the electroweak symmetry breaking mechanism, by which all fundamental particles acquire mass. The mass of fermions, in particular, is proportional to the corresponding Yukawa couplings. The top quark Yukawa coupling is of order unity, much larger than that of any other fermion. A precise measurement of this parameter is a stringent test to the validity of the Standard Model. In proton-proton collisions, such as the ones occuring at the LHC, the production of a Higgs boson in association with a pair of top quarks (ttH) is the only process allowing a direct measurement of the top quark Yukawa coupling. In this thesis, a search for the production of ttH at the LHC is discussed. In the addressed channel, the Higgs boson decays to bb (H → bb) and the decay of the tt system is dileptonic (tt → bbW+W- → bbvvl+l-). An event reconstruction algorithm is described, along with a large set of new angular observables: the motivation for the interest in such observables is given, as well as the instructions for their computation. Two complementary studies employing the new angular variables are presented. The first study demonstrates that these observables provide discrimination between samples of ttH and the irreducible background process ttbb. In the second study, the observables are tested as discriminants between ttH and ttA, where A stands for a non-Standard Model pseudoscalar Higgs boson. When compared to a set of observables suggested for this purpose found in a literature review, the new angular observables show remarkable discrimination.

A descoberta recente de um bosão de Higgs com uma massa próxima dos 125 GeV, pelas experiências ATLAS e CMS, no LHC, CERN, representou um feito assinalável do Modelo Padrão da física de partículas. O estudo desta partícula recentemente descoberta permite compreender o mecanismo de quebra espontânea de simetria, através do qual todas as partículas fundamentais obtêm massa. A massa dos fermiões, em particular, e proporcional aos acoplamentos de Yukawa correspondentes. O acoplamento de Yukawa do quark top é da ordem de grandeza da unidade, muito maior do que o de qualquer outro fermião. Uma medida precisa deste parâmetro é um teste rigoroso à validade do Modelo Padrão. Em colisões protão-protão, tais como as que ocorrem no LHC, a produção de um bosão de Higgs associado a um par de quarks top (ttH) é o único processo que permite uma medida directa do acoplamento de Yukawa do quark top. Nesta tese, discute-se uma nova estratégia de pesquisa por produção de ttH no LHC. No canal de decaimento abordado, o bosão de Higgs decai para bb (H → bb) e o decaimento do sistema tt é dileptónico (tt → bbW+W- → bbvvl+l-). Descreve-se um algoritmo de reconstrução de acontecimentos e um conjunto extenso de novas observáveis angulares é apresentado: é dada a motivação para o interesse nessas observáveis, bem como as instruções para o seu cálculo. Dois estudos complementares das novas observáveis angulares são apresentados. O primeiro estudo demonstra que estas observáveis proporcionam discriminação entre as amostras de ttH e o fundo irredutível ttbb. No segundo estudo, as observáveis são avaliadas enquanto discriminantes entre ttH e ttA, onde A representa um bosão de Higgs pseudoescalar, não previsto no Modelo Padrão. Quando comparadas com um conjunto de observáveis anteriormente propostas para esse efeito, encontradas numa revisão da literatura, as novas observáveis exibem discriminação notável.