Kurzfassung
In dieser Arbeit wird eine Suche nach der Produktion eines Higgs-Bosonen-Paares ($HH$) durch Vektor-Bosonen-Fusion (VBF) im kinematisch Bereich mit hohen Lorentz-Boosts der Higgs-Bosonen und deren anschließendem Zerfall in vier Bottom-Quarks vorgestellt. Die Suche basiert auf 140~fb$^{-1}$ Proton-Proton-Kollisionsdaten, die mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) bei einer Schwerpunktsenergie von $/sqrt{s} = 13$~TeV gesammelt wurden.
Die Ergebnisse der Suche wurden sowohl im Rahmen der nicht-resonanten als auch der resonanten Produktion von Higgs-Bosonen-Paaren interpretiert. Die nicht-resonante VBF $HH$-Produktion wird durch das Standardmodell (SM) vorhergesagt; der Produktionsquerschnitt ist jedoch bei anomalen Werten der trilineare Higgs-Bosonen-Selbstkopplung und der quartischen Kopplung zwischen zwei Higgs-Bosonen und zwei Vektorbosonen, parametrisiert als $/kappa_{/l}$ bzw. $/kappa_{2V}$, deutlich erhöht. Die resonante VBF $HH$-Produktion wird ausschließlich durch Erweiterungen des SM vorhergesagt. In dieser Arbeit wurde die resonante $HH$-Produktion über den Zerfall eines neuen schweren Skalarteilchens, das aus der Vektor-Bosonen-Streuung stammt, untersucht.
Es wurde keine signifikante Abweichung der Daten vom erwarteten Hintergrund beobachtet. Daher wurden in der nicht-resonanten Suche Grenzwerte auf die Kopplungen $/kappa_{2V}$ und $/kappa_{/l}$ mit einem Konfidenzniveau von $95/%$ festgelegt. In der resonanten Suche wurden obere Grenzen für den Wirkungsquerschnitt für Resonanzmassen im Bereich von 1.0~TeV bis 5.0~TeV unter der Annahme sowohl einer schmalen als auch einer breiten Resonanzbreite abgeleitet. Im modellabhängigen Szenario mit breiter Resonanzbreite wurde ein repräsentatives Modell mit einem Composite Higgs-Boson zugrunde gelegt.
Zusätzlich zu diesen Ergebnissen, die 2024 veröffentlicht wurden, werden hier die relevanten Details einer laufenden ATLAS-Analyse vorgestellt, die zusätzliche Daten aus den Jahren 2022 und 2023 bei $/sqrt{s} = 13.6$~TeV verwendet und modernere Algorithmen zur Identifikation von $H /to b/bar{b}$-Zerfälle einsetzt.
Schließlich wird in dieser Arbeit auch eine Proof-of-Principle-Studie vorgestellt, bei der ein auf Transformatoren basierender Algorithmus für maschinelles Lernen zur Unterscheidung von Signal- und Hintergrundereignissen in der Suche nach simultaner Produktion von drei Higgs-Bosonen eingesetzt wird. Die noch seltenere Produktion von drei Higgs-Bosonen hat großes Interesse geweckt, da sie einen einzigartigen Zugang zur quartischen Higgs-Bosonen-Selbstkopplung ermöglicht.
A search for the production of a pair of Higgs bosons ($HH$) via vector-boson fusion (VBF) in the Lorentz-boosted kinematic regime with subsequent decay of the Higgs bosons into four bottom quarks is presented. The analysis is based on 140~fb$^{-1}$ of proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC), at a center-of-mass energy of $/sqrt{s} = 13$~TeV. The results were interpreted in terms of both non-resonant and resonant production of Higgs-boson pairs. Non-resonant VBF $HH$ production is predicted by the Standard Model (SM); the production cross-section is, however, significantly enhanced for anomalous, non-SM values for the trilinear Higgs-boson self-coupling and the quartic coupling between two Higgs bosons and two vector bosons, parametrised as $/kappa_{/l}$ and $/kappa_{2V}$, respectively. Resonant VBF $HH$ production is predicted only by extensions of the SM. In this thesis, the resonant $HH$ production via the decay of a new heavy scalar particle originating from the vector-boson scattering was considered. No significant deviation of the data from the expected background was observed. Hence, in the non-resonant search, limits on the $/kappa_{2V}$ and $/kappa_{/l}$ couplings were set at $95/%$ confidence level. In the resonant search, upper limits on the signal cross-section were derived for intermediate masses ranging from 1.0~TeV to 5.0~TeV under the assumptions of a narrow- and broad-resonance widths. In the model-dependent broad-width scenario, a composite Higgs benchmark has been considered. In addition to these results, which have been published in 2024, the relevant details of a successive on-going ATLAS analysis using additionally data collected in 2022 and 2023 at $/sqrt{s} = 13.6$~TeV and using more modern tools to identify the $H /to b/bar{b}$ decays is discussed here. Finally, a proof-of-principle study using a transformer-based machine-learning algorithm to discriminate signal from background events in triple Higgs-boson searches is also shown in this thesis. The even rarer production of three Higgs bosons has been gaining significant interest since it provides unique access to the quartic Higgs-boson self-coupling.