Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt die erste experimentelle Messung der assoziierten Produktion eines Higgs Bosons und einem Top Quark-Antiquark Paar (ttH) in Endzuständen mit zwei Leptonen, wobei das Higgs Boson in ein Bottom-Quark-Antiquark Paar (Hbb) zerfällt.
Für die Messung werden Daten verwendet, die in Proton-Proton Kollisionen am CERN LHC mit dem CMS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV in den Jahren 2016-2018 in der zweiten Datennahmeperiode (Run 2) gewonnen wurden und einer integrierten Luminosität von 138 fb-1 entsprechen.
Im Standardmodell der Teilchenphysik (SM) koppelt das Higgs Boson durch Yukawa-Wechselwirkung an andere Elementarteilchen mit einer Stärke proportional zu ihrer Masse. Da das Top Quark das schwerste bisher bekannte Elementarteilchen ist, ist der ttH Prozess die beste bekannte Möglichkeit um die Top-Higgs Yukawakopplung zu studieren und bildet damit ein wesentliches Element die SM-Natur des Higgs Bosons zu überprüfen.
Darüber hinaus weist der Hbb Zerfallskanal das größte Verzweigungsverhältnis auf und ist daher experimentell sehr attraktiv.
Dominierende Untergrundbeiträge sind tt Ereignisse, die zusätzliche Jets enthalten, welche nicht aus dem tt Zerfall stammen (tt+jets).
Vor allem stellt der ttbb Prozess einen nahezu irreduziblen Untergrund für die Messung des ttHbb Signalprozesses dar.
Um die Sensitivität der Messung zu verbessern, werden spezielle multivariate Analysetechniken verwendet um die Signalstärke zu extrahieren.
Diese Studie umfasst detaillierte Untersuchungen der Leistungsfähigkeit und Optimierung von Diskriminanten, die zum ersten Mal mit Hilfe von neuronalen Netzen trainiert wurden. Des Weiteren wird eine verbesserte Modellierung der dominanten Untergrundbeiträge diskutiert.
Die Ergebnisse werden im Rahmen des Signalstärkemodifikators mu_ttH und auch zum ersten Mal in Form einer ttHbb STSX Messung interpretiert, was eine hervorragende Möglichkeit bietet, Standardmodell Vorhersagen zu überprüfen und nach neuer Physik zu suchen.
Der resultierende gemessene Wert ist mu_ttH = 0.34 +0.17-0.17 (stat.) +0.20-0.21 (syst.) für die Kombination aus allen Zerfallskanälen.
Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Messung der Luminosität des CMS-Experiments vorgestellt, welche mit der Van-der-Meer Methode kalibriert wird.
Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer verbesserten Methode um die systematische Verzerrung aufgrund der Annahme von faktorisierbaren Protonendichten der Strahlen durch transversale Dichten abzuschätzen. Hierzu werden Daten benutzt, welche in Strahlabbildungs-Scans gewonnen wurden. Dies führt zu einer signifikanten Verringerung der systematischen Unsicherheit bei der Messung der intergierten Luminosität.
This thesis presents the first measurement of the associated production of a Higgs boson and a top-quark-antiquark pair (ttH) in final states with two leptons and where the Higgs boson decays into a bottom-quark-antiquark pair (Hbb). The measurement utilizes proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV during 2016-2018 of Run 2, which corresponds to an integrated luminosity of 138 fb-1. In the Standard Model (SM), the Higgs boson couples to elementary particles with a Yukawa-type interaction and a coupling strength proportional to the particle mass. Since the top quark is the heaviest elementary particle known to date, the ttH process is the best direct probe of the top-Higgs Yukawa coupling and, therefore, a vital element to verify the SM nature of the Higgs boson. Furthermore in the SM, the Hbb decay presents the largest branching fraction and is thus experimentally attractive as a final state. The dominant background contributions arise from tt events containing additional jets that do not originate from the tt system (tt+jets). In particular, ttbb processes constitute an almost irreducible background with respect to the ttHbb signal. To improve the sensitivity of the measurement, dedicated multivariate analysis techniques are used to extract the signal. This study includes detailed assessments of the performance and optimization of discriminants trained using, for the first time, Artificial Neural Networks, as well as improved modeling of the dominant background contributions. The results are interpreted in terms of the inclusive ttH signal-strength modifier (mu_ttH) and the first ttHbb STXS measurement as a powerful tool to test the SM predictions and search for new physics. The statistical model used for measurements effectively describes well the observed data. The observed best fit value is mu_ttH = 0.34 +0.17-0.17 (stat.) +0.20-0.21 (syst.) for the combination of all decay channels. Additionally, this thesis presents an overview of the luminosity measurement for the CMS experiment calibrated using the Van der Meer method. The focus is on an improved method used to estimate the bias due to the assumption of factorizable proton densities of the beams using transverse densities determined from beam-imaging scan data, resulting in a significant reduction of the systematic uncertainty for the measurement of the integrated luminosity.