Measurement of the associated production of top quark pairs with a Higgs boson in the diphoton final state with the CMS detector

This thesis presents the analysis of the data collected in 2016 and in 2017 by the CMS detector at the Large Hadron Collider to perform a precise measurement of the cross section of the Higgs boson production in association with a pair of top-antitop quarks (ttH). The diphoton decay channel of the Higgs boson is exploited to perform the measurement, as among the most sensitive channels. The analysis exploits 35.9 fb−1 of data collected in 2016 and 41.5 fb−1 collected in 2017 in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. At the beginning of this work, the measured cross section of the ttH process showed a mild departure from the standard model (SM) expectation of about two standard deviations. A more precise determination was necessary to ascertain whether the observed tension was due to a statistical fluctuation or to some unpredicted feature. The choice of the diphoton decay channel is due to the fully reconstructed final state and to the low number of events arising from different processes but with similar topology, namely background. The experimental signature of a Higgs boson decaying to a pair of photons is the presence of a narrow resonant peak arising in the invariant mass distribution of the photon pairs. The ttH production can be exclusively identified by the presence in the final state of the decay products of the top quarks. The ttH production rate is extracted from a fit to the invariant mass spectrum of the photon pairs. The fit function is based on a signal model, built from simulation of the Higgs boson production processes, and a background one, derived directly from fitting the data.The fit is performed with floating the signal strength μ, defined as the ratio between the measured ttH production cross section and the SM expectation. The analysis of the 2016 data resulted in an observed value of μ = 2.2+0.9−0.8, rejecting the background-only hypothesis at 3.2 standard deviations, where 1.5 is expected for a SM Higgs boson. The refinement of the techniques exploited for the data analysis lead to an improvement in the sensitivity of more than 50 % in the analysis of the 2017 data, with μ = 1.3+0.7−0.5, rejecting the background-only hypothesis at 3.1 standard deviations, where 2.2 are expected for a SM Higgs boson. The combination of the two analyses resulted in an observed signal strength of μ = 1.7+0.6-0.5, corresponding to a significance of 4.1 standard deviations. The analysis of the 2016 data, together with the analyses targeting final states with the Higgs boson decaying in b quarks, vector bosons and τ leptons, allowed the first experimental observation of the ttH process. The result exploited the analysis of the data collected in 2016 at a centre-of-mass energy of 13 TeV, as well as the data collected in 2011 and 2012 at a centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV, respectively. The best fit value of the combination of the different channels is μ = 1.26+0.31−0.26, in agreement with the SM expectation. The background-only hypothesis is rejected at the level of 5.1 standard deviations. This result proves for the first the tree-level coupling of the Higgs boson with the top quarks and, hence, with an up-type quark.

La tesi presenta l'analisi dei dati collezionati nel 2016 e nel 2017 dall'esperimento CMS presso il Large Hadron Collider per effettuare una misura della sezione d'urto della produzione associata di bosoni di Higgs e coppie di quark top-antitop (ttH). Si è scelto il canale di decadimento del bosone di Higgs in due fotoni in quanto è uno tra i canali più sensibili dal punto di vista sperimentale. L'analisi è basata su 35.9 fb−1 e 41.5 fb−1di dati raccolti rispettivamente nel 2016 e nel 2017 in collisioni protone-protone ad un'energia del centro di massa di 13 TeV. All'inizio di questo lavoro la misura della sezione d'urto per il processo ttH mostrava una leggera deviazione, di circa due deviazioni standard, dalla predizione del modello standard (MS). Una misura più precisa del processo è stata dunque necessaria per verificare se la deviazione osservata fosse dovuta a una fluttuazione statistica o a fenomeni non predetti dal MS. La scelta del canale di decadimento in due fotoni è dettata dallo stato finale completamente ricostruito e dal buon rapporto di eventi di segnale e di fondo, ovvero eventi dovuti a processi differenti ma con stato finale simile. La segnatura sperimentale di un bosone di Higgs che decade in due fotoni è la presenza di un picco risonante nello spettro di massa invariante delle coppie di fotoni. La produzione ttH può essere identificata in modo esclusivo grazie alla presenza nello stato finale di prodotti di decadimento dei quark top. La sezione d'urto del processo ttH è estratta da un fit allo spettro di massa invariante delle coppie di fotoni. La funzione utilizzata per il fit è basata su un modello di segnale, costruito in accordo con quanto predetto da simulazioni dei processi di produzione di bosone di Higgs, e un modello di background, derivato direttamente dal fit dei dati. Il fit è effettuato lasciando come parametro libero la forza del segnale μ, definita come il rapporto tra la sezione d'urto misurata e quella predetta dal MS. L'analisi dei dati del 2016 è risultata in una misura pari a μ = 2.2+0.9−0.8, escludendo l'ipotesi di solo fondo al livello di 3.2 deviazioni standard, mentre il valore atteso dal MS per un bosone di Higgs è di 1.5. Il raffinamento delle tecniche di analisi dati ha permesso di migliorare la sensitività sperimentale di più del 50%, misurando con i dati del 2017 un valore di μ = 1.3+0.7−0.5. L'ipotesi di solo fondo è rigettata a livello di 3.1 deviazioni standard, metre l'attesa del MS è di 2.2. La combinazione dei due risultati permette di misurare μ = 1.7+0.6-0.5 e corrisponde ad una significatività statistica di 4.1 deviazioni standard. L'analisi dei dati del 2016, in combinazione con le analisi dei dati che riguardano stati finali in cui il bosone di Higgs decade in quark b, bosoni vettori o leptoni τ, ha permesso la prima osservazione sperimentale del processo ttH. Il risultato è basato sui dati raccolti nel 2016 ad energia del centro di massa di 13 TeV, oltre che ai dati raccolti nel 2011 e 2012 a energia del centro di massa di 7 e 8 TeV, rispettivamente. Il risultato della combinazione dei differenti canali è μ = 1.26+0.31−0.26, in accordo con il MS. L'ipotesi di solo fondo è rigettata a livello di 5.1 deviazioni standard. Questa misura dimostra l'esistenza dell'accoppiamento diretto del bosone di Higgs a quark top, e quindi a quark di tipo up.