Search for the HH->bbtautau decay with the CMS experiment

This thesis describes the search for Higgs boson pairs in the final state composed of two b quarks and two tau leptons. The structure of this dissertation closely follows the workflow of the analysis and the strategies adopted to identify and reconstruct the bbtautau signal candidates. Both the resonant and the non-resonant double double Higgs production mechanisms are explored with the data collected by the CMS experiment during 2016 and 2017 at a center of mass energy of 13 TeV. After the discovery of the Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS collaborations, the collective efforts of the high energy physics community have been focused on a precise characterization of this particle. In this context, HH searches play a fundamental role as they represent the only way to measure the Higgs boson trilinear self coupling. This variable is, together with Higgs mass, the only parameter needed to fully describe the Higgs field potential, thus allowing a better understanding of the electroweak symmetry breaking mechanism, which is at the base of the masses of all particles. At the same time, given the low production rate of HH pairs, any deviation from the theoretical predictions of the Standard Model would lead to sizeable changes in both the event kinematics and in the production rate itself, thus making double Higgs searches extremely sensitive to New Physics effects. The bbtautau final state represents one of the most interesting channels to explore double Higgs processes, given the high branching ratio and the relatively small background contamination. At the same time however, this final state poses some non trivial experimental challenges such as the reconstruction of the tau lepton decay that involves the presence of hardly detectable neutrinos. This has prompted the development of specific algorithms and techniques to identify and reconstruct the signal events and to maximize the analysis sensitivity. No excess of events is observed in the analysis of 2016 data, corresponding to an integrated luminosity of 35.9/fb, and the results are found to be consistent with the Standard Model background predictions. Exclusion upper limits at 95% Confidence Level are thus set on the cross section times branching fractions. In the resonant search case, the limits vary from 500 to 5 pb depending on the mass of the signal resonance hypothesized, while in the non-resonant search, the observed and expected exclusion limits are set to about 30 and 25 times the theoretical Standard Model prediction, respectively. A further interpretation of the non resonant results is given in the context of effective field theories (EFT) in order to explore models that predict the modification of the Higgs couplings values. As double Higgs production rate is very small at the LHC, HH analyses are currently mainly limited by the available statistics and are expected to become more and more sensitive with the increase of the integrated luminosity collected. After the success of the 2016 results and in order to fully exploit the statistical power offered by the data, the bbtautau analysis strategy is now set on the combination of the full 2016-2018 statistics, that amounts to about 160/fb. Having collaborated to this analysis since the beginning or Run II, I was able to witness and actively participate in the changes and developments put in place during the 2016 data analysis, and to understand and learn the most critical aspects on which to focus our efforts in the future. Hence, each Section of this thesis is complemented with the changes introduced in the analysis workflow in 2017 and with ideas on how to further improve the performance and sensitivity on the road to the study of the full Run II statistics and, in a more wide perspective, of the High Luminosity phase of the LHC.

Questa tesi descrive la ricerca di coppie di bosoni di Higgs nel canale di decadimento in cui uno dei due bosoni decade in una coppia quark-antiquark b e l'altro in una coppia leptone-antileptone tau. L'organizzazione della tesi segue fedelmente la struttura dell'analisi stessa e le strategie adottate per l'identificazione e la ricostruzione di eventi di segnale bbtautau. Sia l'ipotesi di produzione risonante che quella non risonante di una coppia HH sono sono prese in considerazione e analizzate utilizzando i dati raccolti dall'esperimento CMS nel 2016 e nel 2017 a un'energia nel centro di massa di 13 TeV. Dopo la scoperta, nel 2012, del bosone di Higgs, lo sforzo collettivo della comunità scientifica di fisica delle alte energie si è concentrato sulla caratterizzazione di questa particella. In questo contesto, le ricerche relative alla produzione di coppie di bosoni di Higgs giocano un ruolo fondamentale dal momento che permettono di osservare direttamente l'accoppiamento triplo dell'Higgs, misura altrimenti infattibile in altre analisi. Tale grandezza è, insieme alla massa del bosone stesso, l'unico parametro necessario a descrivere il potenziale del campo di Higgs e a permettere una profonda comprensione del meccanismo di rottura spontanea della simmetria all'origine della massa di tutte le particelle. Allo stesso tempo, dato il ridotto rate di produzione di coppie HH, qualunque deviazione dalla predizione teorica del Modello Standard implicherebbe notevoli cambiamenti nella cinematica e nel rate di produzione stesso, rendendo queste analisi estremamente sensibili a effetti di Nuova Fisica. Il canale di decadimento bbtautau rappresenta uno dei più interessanti stati finali nell'esplorazione di eventi con due bosoni di Higgs poichè caratterizzato da un branching fraction piuttosto elevato e relativamente poco affetto dalla contaminazione dei fondi. Allo stesso tempo però, questo canale presenta alcune problematiche di non triviale soluzione, come ad esempio la ricostruzione del decadimento dei leptoni tau che coinvolge l'emissione di neutrini. Questo rende necessario lo sviluppo di dedicate tecniche e algoritmi per l'identificazione e ricostruzione degli eventi di segnale. Nessun eccesso di eventi è osservato nell'analisi di 35.9/fb di dati raccolti nel 2016 e i risultati sono consistenti con l'ipotesi di solo fondo predetta dallo SM. Limiti superiori di esclusione al 95% di livello di confidenza sono dunque calcolati relativamente al prodotto della sezione d’urto e del branching ratio. Nel caso dell'analisi risonante tali limiti variano da 500 a 5 pb in funzione dell'ipotesi di massa della risonanza testata, mentre nel caso non risonante i limiti attesi ed osservati corrispondono a 25 e 30 volte, rispettivamente, la predizione del Modello Standard. Un'ulteriore interpretazione dei limiti non risonanti è data nel contesto di teorie effettive (EFT), al fine di esplorare modelli in cui gli accoppiamenti del bosone di Higgs sono differenti da quelli previsti nello Standard Model. Data la ridotta sezione d'urto di produzione di coppie di bosoni di Higgs, le analisi HH sono limitate dalla statistica disponibile, per questo, dopo il notevole risultato dell'analisi dei dati 2016, l'attenzione delle analisi HH a CMS è rivolta all'inclusione nelle ricerche della totalità dei dati raccolti durante il Run II e corrispondenti a circa 160/fb. L'aver lavorato a questa analisi sin dal suo inizio mi ha permesso di partecipare attivamente allo sviluppo di nuove strategie e di capire quali sono gli aspetti più critici dell'analisi stessa sui quali è necessario concentrare gli sforzi per massimizzare la sensitività. In ogni Sezione di questa tesi quindi, affiancherò alla descrizione delle tecniche utilizzate nel 2016, i cambiamenti e i miglioramenti apportati durante lo studio dei dati 2017 in vista dei risultati futuri, prima per il Run II e, in una prospettiva più ampia per la fase ad alta luminosità di LHC.