Study of the H -> ZZ(∗) -> 4l decay channel and contribution to the forward muon detection with the ATLAS experiment

Abstract

The study of the H->ZZ(*)->4l decay and the forward muon detection at the ATLAS experiment are the two main subjects of this thesis. The dissertation starts with a brief theory introduction to the Standard Model, the spontaneous symmetry breaking, the Higgs mechanism and phenomenology. The following two chapters describe the Large Hadron Collider's (LHC) experiments and the ATLAS detector respectively. The former synoptically presents the physics goals accompanied by the necessary detector layout references and the latter presents the various subsystem technologies and principles of operation. The third chapter is reserved for the Cathode Strip Chambers, where the data taking schema for both the RunI and the RunII is explained, the operational conditions during the RunI are summarized, as well as the deployed methods to bypass the electronics deadtime due to hardware limitations and the developed system for the RunII are presented. In addition, the chapter includes performance studies for the entire RunI and summarizes the reconstruction modifications that applied in order to minimize the tracking resolution. The chapter dedicated to the inclusive H->ZZ*->4l decays follows. The candidate events selection is described and the strategy for the background estimation is explored. The signal region is unveiled in this chapter, along with necessary data driven background estimations. The characteristic production mechanism signatures (VBF, VH, ttH, bbH, ggF) of the identified Higgs candidates are presented in the next chapter, along with the design of the categorization and the background estimation is each category. Future prospects of the H->ZZ->4l are explored in the last chapter considering high luminosity LHC scenario for both the current detector layout and the extended forward coverage case.

Ένα από τα πρωταρχικά αναπάντητα ερωτήματα της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής αφορά στην προέλευση της μάζας. Στα πλαίσια του Καθιερωμένου Πρότυπου των στοιχειωδών σωματιδίων, το σπάσιμο της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας και κατ’ επέκταση οι παρατηρούμενες μάζες των φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης και των σωματιδίων της ύλης, οφείλεται στο μηχανισμό Higgs. Άμεση συνέπεια του μηχανισμού Higgs είναι η ύπαρξη του μποζονίου Higgs, το οποίο αποτελούσε το μοναδικό σωματίδιο του Καθιερωμένου Πρότυπου που δεν είχε ακόμη παρατηρηθεί κατά την έναρξη της εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Ως εκ τούτου, ένας από τους σημαντικούς στόχους του ερευνητικού προγράμματος του LHC (Large Hadron Collider) και του ανιχνευτή ATLAS στο CERN ήταν η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Μια από τις υπογραφές που συνεισέφερε σημαντικά στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs ήταν η H->ZZ(*)->4l, όπου l = e, μ. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στη βελτιστοποίηση και πιστοποίηση με πραγματικά δεδομένα των κριτηρίων επιλογής για την εν λόγω υπογραφή, ενώ ακόμη μελετούνται διεξοδικά οι συνεισφορές υποβάθρου και αναπτύσσονται μέθοδοί για τον υπολογισμό τους από τα πραγματικά δεδομένα. Εν συνεχεία, μελετώνται τα επιπλέον χαρακτηριστικά των υποψήφιων γεγονότων που φωτίζουν τους μηχανισμούς παραγωγής του. Δεδομένου ότι περισσότερα υποψήφια γεγονότα απαιτούνται για να ενταχθεί το Higgs σε κάποιο θεωρητικό πρότυπο, η ευαισθησία του καναλιού στα επόμενα χρόνια της λήψης δεδομένων του LHC μελετάτε.Δεδομένης της ύπαρξης τεσσάρων λεπτονίων στην τελική κατάσταση, προϋπόθεση για την επιτυχή έκβαση της συγκεκριμένης έρευνας αποτέλεσε η μεγιστοποίηση της αποδοχής και απόδοσης στην ανακατασκευή και αναγνώριση των ηλεκτρονίων και των μιονίων. Κατά συνέπεια, ένα σημαντικό ερευνητικό μέρος της διατριβής εστιάζεται στην ανίχνευση των λεπτονίων, και συγκεκριμένα των μιονίων στην εμπρόσθια περιοχή του πειράματος $ATLAS$. Συγκεκριμένα, βελτιώθηκε το λογισμό ανακατασκευής, διεξάχθηκαν μελέτες απόδοσης και υπήρξε μεγάλη συνεισφορά στον τομέα λήψης δεδομένων για τη λειτουργία του ανιχνευτή τόσο στο $Run-I$ όσο και από το 2015 και μετέπειτα.