Study of the CP nature of the top-Higgs coupling in ttH production at the LHC

Abstract

No Modelo Padrão (SM), é previsto que o bosão de Higgs seja uma partícula escalar e que suas interações não violem a simetria CP. Após a observação da produção do bosão de Higgs em associação com um par de quarks top (ttH) pelas experiências ATLAS e CMS em 2018, a observação de uma componente ímpar à transformações de carga-paridade (CP) em um dos acoplamentos do bosão de Higgs constituiria uma importante descoberta de física além do SM (BSM). Recentemente, ATLAS e CMS procuraram essa componente em eventos ttH com o Higgs decaindo em dois fotões. No entanto, o acoplamento entre o Higgs e os fotões é induzido por loops e pode ser afetado por efeitos da nova física. Esta tese descreve o estudo da natureza CP do acoplamento de Yukawa do Higgs aos quarks top por meio da análise de eventos ttH no canal de decaimento H→bb, e fornece projeções deste estudo do Run 2 do Large Hadron Collider (LHC) ao LHC de alta luminosidade (HL-LHC). A análise usa dados de colisão protão-protão coletados com o detector ATLAS durante o período do Run 2 do Grande Colisor de Hadrões (LHC) com uma energia de centro de massa de √s=13 TeV e luminosidade integrada total de 139 fb-1. São usados apenas eventos contendo um ou dois leptões no estado final do decaimento do par de quarks top. Em seguida, os eventos são classificados em regiões de acordo com o número de jatos e o número de b-jatos marcados usando ponto de operação (WPs) de 60% and 70%. Várias técnicas multivariadas foram usadas para melhorar a sensibilidade da análise, uma árvore da decisão reforçada (BDT) foi treinada para separar o sinal do fundo e outra para distinguir entre diferentes cenários de CP. Variáveis sensíveis ao CP, incluindo observáveis calculadas no referencial de laboratório e variáveis angulares calculadas em referenciais específicos, foram usadas no ajuste e no treinamento das BDTs.Um ajuste de verossimilhança é executado em todas as regiões de análise para restringir as previsões de fundo e reduzir as incertezas sistemáticas. O valor esperado para o ângulo de mistura CP é obtido desse ajuste. Além disso, uma extrapolação da análise foi realizada nesta tese, a fim de fornecer projeções sobre a medição do ângulo de mistura de CP para o LHC de alta luminosidade (HL-LHC). Foram considerados diferentes cenários para a evolução das incertezas sistemáticas com o aumento esperado da luminosidade. O valor esperado para o ângulo de mistura de CP foi obtido para vários valores diferentes de luminosidade até 3000 fb-1. Com as atuais incertezas sistemáticas, espera-se que a produção de ttH pura CP-ímpar seja excluída com 99.73\% de nível de confiança (CL) apenas no final do projeto HL-LHC. A significância de exclusão CP-ímpar é representada em função da luminosidade para cada um dos cenários considerados, e os efeitos dos vários tipos de incertezas são avaliados.

In the Standard Model (SM), the Higgs boson is predicted to be a scalar particle with no CP-violating interactions. After the observation of the Higgs boson production in association with a top quark pair (ttH) by ATLAS and CMS in 2018, the measurement of an odd charge-parity (CP) component in one of the Higgs boson couplings would constitute an important discovery of physics beyond the SM (BSM). Recently, ATLAS and CMS searched for such a component in ttH events with the Higgs decaying into two photons. However, the coupling between the Higgs and the photons is loop-induced and could be modified by effects of new physics. This thesis describes the study of the CP nature of the Higgs Yukawa coupling to the top quarks by analyzing ttH events in the H→bb decay channel, and provides projections of this search from the Large Hadron Collider (LHC) Run 2 to the High-Luminosity LHC (HL-LHC). The analysis uses the full Run 2 dataset of proton-proton collision collected with the ATLAS detector at a center-of-mass energy of √s=13 TeV and total integrated luminosity of 139 fb-1. Only events containing either one or two leptons in the final state from the decay of the top quark pair are used in the analysis. Then, the events are classified into regions according to the number of jets and the number of b-tagged jets using the 60% and 70% working points (WPs). Two sets of multivariate classifiers are utilized to improve the analysis sensitivity. One classifier targets the classification of signal against backgrounds and the other targets the separation between different CP scenarios. Several CP sensitive variables, including lab-frame observables and angular variables calculated in specific frames, were used in the training of the BDTs. A profile likelihood fit is performed over all analysis regions to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. The expected value for the CP-mixing angle is presented. An extrapolation of the analysis is performed in order to provide projections on the measurement of the CP-mixing angle for the HL-LHC. Different scenarios for the evolution of the systematic uncertainties with the expected increase in the luminosity were considered. The expected value for the CP-mixing angle was obtained for several different values of luminosity up to 3000 fb-1. With the current systematic uncertainties, the pure CP-odd ttH production is expected to be excluded with 99.73% confidence level (CL) only at the end of the HL-LHC project. The CP-odd exclusion significance is represented as a function of the luminosity for each of the scenarios considered, and the effects of the various types of uncertainties are evaluated.