Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation präsentiert die erste Suche nach dem Higgs-Boson des Standardmodells (SMs) welches in Assoziation mit einem Top-Quark-Antiquark-Paar produziert wird, und in Myonen zerfällt, ttH(Hmumu). Die Analyse basiert auf Daten, die mit dem CMS Experiment in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von 137/fb entsprechen.
Signalereignisse enthalten zwei entgegengesetzt geladene Myonen und die Zerfallsprodukte des Top-Quark-Antiquark-Paares. Deshalb werden Ereignisse selektiert, die mindestens einen b-Quark-Jet aufweisen. Um die Topologie des Top-Quark-Zerfalls bestmöglich zu nutzen, werden zwei Ereigniskategorien definiert, die darauf optimiert sind, entweder leptonische oder hadronische Top-Quark-Zerfälle zu identifizieren. Die leptonische Kategorie zielt auf Ereignisse ab, die zusätzlich zu dem Myonen-Paar aus dem Zerfall des Higgs-Bosons ein oder zwei geladene Leptonen aufweisen. In der hadronischen Kategorie wird der Top-Quark-Zerfall in drei Jets mit Hilfe eines kinematischen Fits und einer multivariaten Analyse basierend auf einem Boosted Decision Tree (BDT) rekonstruiert. Beide Ereigniskategorien werden individuell mit BDT-basierten multivariaten Analysen optimiert, die mehrere sensitive kinematische Observablen enthalten, um Signal- von Untergrundereignissen zu unterscheiden. Die analysierten Ereignisse werden entsprechend der Ausgabewerte der BDTs in Unterkategorien eingeordnet. Ein Maximum-Likelihood-Fit an die beobachteten Verteilungen der invarianten Masse des Myon-Paares wird in allen Unterkategorien durchgeführt, um die Stärke eines potenziellen Signals zu quantifizieren.
Die beobachtete (erwartete) Signifikanz für ttH(Hmumu) über der SM-Untergrundvorhersage beträgt 1,2 sigma (0,5 sigma). Die entsprechende, gemessene Signalstärke, definiert als das Verhältnis der beobachteten Signalrate zur im SM erwarteten Rate, ist 2,32 (+2,27)(-1,95). Dieses Ergebnis trägt zu einer Kombination von vier komplementären Higgs-Boson Analysen bei. Kombiniert mit den Analysen, die auf die Produktion eines Higgs-Bosons in Gluon-Fusion, in Vektor-Boson-Fusion und in assoziierter Produktion mit einem Vektor-Boson optimiert wurden, wird ein Überschuss an Ereignissen in Daten mit einer Signifikanz von 3,0 sigma beobachtet, wobei die Erwartung für das SM Higgs-Boson 2,5 sigma beträgt. Die kombinierte Signalstärke, relativ zur SM Erwartung, ist 1,19 (+0,44)(-0,42). Dieses Ergebnis ist der erste Nachweis für den Zerfall des Higgs-Bosons in Fermionen der zweiten Generation und zugleich die bisher präziseste Messung der Kopplung des Higgs-Bosons an Myonen. Diese Ergebnisse werden mit denen einer kürzlich veröffentlichten Analyse der ATLAS-Kollaboration verglichen.
This thesis presents the first search for standard model (SM) Higgs boson decays to muons produced in association with a top quark-antiquark pair, ttH(Hmumu). The analysis is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 137/fb. Signal events contain two oppositely charged muons and the decay products of the top quark-antiquark pair. Therefore, events are selected based on the presence of one or more b quark jets. To fully exploit the topology of the top quark decay, two event categories are defined which aim to identify either leptonic or hadronic top quark decays. The leptonic category targets events with one or two charged leptons in addition to the muon pair from the Higgs boson decay. In the hadronic category, the top quark decay to three resolved jets is reconstructed using a constrained kinematic fit combined with a multivariate discriminant based on a boosted decision tree (BDT). Both event categories are individually optimized using BDT-based multivariate discriminants which include several sensitive kinematic observables to distinguish the ttH(Hmumu) signal from SM backgrounds. The analyzed events are classified into subcategories according to the BDT output score. A simultaneous maximum-likelihood fit is performed to the observed dimuon mass distributions in all subcategories to quantify the presence of a potential signal. The observed (expected) significance over the SM background prediction for ttH(Hmumu) is 1.2 sigma (0.5 sigma). The corresponding best-fit value of the signal strength, defined as the ratio of the observed signal rate to that predicted by the SM, is 2.32 (+2.27)(-1.95). This result contributes to a combination of four complementary Higgs boson analyses. When combined with the analyses targeting the Higgs boson production via gluon fusion, via vector boson fusion, and in association with a vector boson, an excess of events over the background prediction is observed in data with a significance of 3.0 sigma, where the expectation for the SM Higgs boson is 2.5 sigma. The combined signal strength, relative to the SM expectation, is 1.19 (+0.44)(-0.42). This result constitutes the first evidence for the Higgs boson decay to second generation fermions and provides the most precise measurement of the Higgs boson coupling to muons to date. The results are compared to those of a recently published analysis by the ATLAS Collaboration.