Search for a spin-zero particle in Higgs boson decays or top-associated production using the ATLAS detector

Abstract

Aquesta tesi conté dues cerques de partícules pseudoescalars lleugeres utilitzant 140 fb⁻¹ de dades de col·lisions protó-protó (𝑝𝑝) a una energia en el centre de masses de 13 TeV, recopilades pel detector ATLAS al LHC durant la Run 2. Ambdues cerques se centren en estats finals amb múltiples 𝑏, utilitzant tècniques innovadores per a la identificació de quarks 𝑏. Només es consideren esdeveniments amb dos leptons, per tal de reduir les contribucions de processos hadrònics difícils de modelar. La primera cerca explora la producció de pseudoescalars lleugers en desintegracions del bosó de Higgs, 𝐻 → 𝑎𝑎, amb una massa del bosó 𝑎 entre 12 i 60 GeV. Cada pseudoescalar es desintegra en dos quarks 𝑏, 𝑎 → 𝑏𝑏, la qual cosa resulta en un estat final amb quatre quarks 𝑏 en total. El bosó de Higgs es produeix en associació amb un bosó 𝑍 que es desintegra en electrons o muons. No s'observa cap excés significatiu d’esdeveniments respecte a la predicció del Model Estàndard. S’estableixen límits superiors amb un nivell de confiança del 95% per a la fracció de desintegració del bosó de Higgs en dos pseudoescalars lleugers, BR(𝐻 → 𝑎𝑎 → 4𝑏), d’entre un 3% i un 25%. La segona cerca se centra en la producció de pseudoescalars lleugers en associació amb quarks top, 𝑡𝑡𝑎. Aquest mecanisme de producció permet explorar el rang de masses del pseudoescalar entre 12 i 100 GeV. Es requereix que el parell 𝑡𝑡 es desintegri leptònicament en electrons, muons o tots dos. El pseudoescalar lleuger s’estudia a través de la seva desintegració en quarks 𝑏. Com que no s’observa cap excés significatiu, es presenten límits superiors per a la secció eficaç de producció d’un pseudoescalar lleuger en associació amb quarks top, 𝜎(𝑝𝑝 → 𝑡𝑡𝑎) × BR(𝑎 → 𝑏𝑏). Aquests límits varien entre 0,1 i 0,9 pb⁻¹.

Esta tesis contiene dos búsquedas de partículas pseudoescalares ligeras utilizando 140 fb⁻¹ de datos de colisiones protón-protón (𝑝𝑝) a una energía en el centro de masas de 13 TeV, recopilados por el detector ATLAS en el LHC durante el periodo de Run 2. Ambas búsquedas se centran en estados finales con múltiples 𝑏, utilizando técnicas novedosas para la identificación de quarks 𝑏. Solo se consideran eventos con dos leptones, con el fin de reducir las contribuciones de procesos hadrónicos difíciles de modelar. La primera búsqueda explora la producción de pseudoescalares ligeros en desintegraciones del bosón de Higgs, 𝐻 → 𝑎𝑎, con una masa del bosón 𝑎 entre 12 y 60 GeV. Cada pseudoescalar se desintegra en dos quarks 𝑏, 𝑎 → 𝑏𝑏, lo que resulta en un estado final con cuatro quarks 𝑏 en total. El bosón de Higgs se produce en asociación con un bosón 𝑍 que se desintegra en electrones o muones. No se observa ningún exceso significativo de eventos con respecto a la predicción del Modelo Estándar. Se establecen límites superiores un nivel de confianza del 95% para el branching ratio del bosón de Higgs en dos pseudoescalares ligeros, BR(𝐻 → 𝑎𝑎 → 4𝑏), de entre un 3% y un 25%. La segunda búsqueda se centra en la producción de pseudoescalares ligeros en asociación con quarks top, 𝑡𝑡𝑎. Este mecanismo de producción permite explorar el rango de masas del pseudoescalar entre 12 y 100 GeV. Se requiere que el par 𝑡𝑡 se desintegre leptónicamente en electrones, muones o ambos. El pseudoescalar ligero se estudia a través de su desintegración en quarks 𝑏. Dado que no se observa ningún exceso significativo, se presentan límites superiores para la sección eficaz de producción de un pseudoescalar ligero en asociación con quarks top, 𝜎(𝑝𝑝 → 𝑡𝑡𝑎) × BR(𝑎 → 𝑏𝑏). Estos límites varían entre 0,1 y 0,9 pb⁻¹.

This thesis contains two searches for light pseudoscalar particles using 140 fb⁻¹ proton-proton (𝑝𝑝) collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during Run 2. Both searches focus on multi-𝑏 final states, using novel techniques for 𝑏-quark identification. Only events with two leptons are considered, in order to reduce contributions from difficult-to-model hadronic background processes. The first search explores light pseudoscalar production in Higgs boson decays, 𝐻 → 𝑎𝑎, with an 𝑎-boson mass between 12 and 60 GeV. Each pseudoscalar decays to two 𝑏-quarks, 𝑎 → 𝑏𝑏, which translates into a final state with four 𝑏-quarks in total. The Higgs boson is produced in association with a 𝑍 boson that decays to either electrons or muons. No significant excess of events above the expected Standard Model background is observed. Upper limits at 95% confidence level are set for the branching ratio of the Higgs boson decaying to two light pseudoscalars, BR(𝐻 → 𝑎𝑎 → 4𝑏), between 3% and 25%. The second search targets light pseudoscalar production in association with top quarks, 𝑡𝑡𝑎. This production mechanism allows to explore the pseudoscalar mass range from 12 to 100 GeV. The 𝑡𝑡 pair is required to decay leptonically to electrons, muons or both. The light pseudoscalar is studied via its decay to 𝑏-quarks. As no significant excess is observed, upper limits for the production cross section of a light pseudoscalar in association with top quarks, 𝜎(𝑝𝑝 → 𝑡𝑡𝑎) × BR(𝑎 → 𝑏𝑏), are presented. They range between 0.1 and 0.9 pb⁻¹.