Study of vector boson scattering in events with four leptons and two jets with the CMS detector at the LHC - École polytechnique Access content directly
Theses Year : 2022

Study of vector boson scattering in events with four leptons and two jets with the CMS detector at the LHC

Study of vector boson scattering in events with four leptons and two jets with the CMS detector at the LHC

Duje Giljanovic
  • Function : Author
  • PersonId : 1257041
  • IdRef : 27008956X

Abstract

Studying Vector Boson Scattering is crucial for understanding the electroweak symmetry breaking mechanism and it provides a complementary tool for measuring Higgs boson couplings to vector bosons. In addition, using the effective field theory (EFT) framework, one can probe the Beyond Standard Model physics through modifications of certain quartic gauge couplings. This thesis reports the first evidence, with the CMS detector, of electroweak (EW) production of leptonically decaying Z boson pair accompanied by two hadronic jets with a vector boson scattering topology. The study analyses 137 fb-1 of proton-proton collisions produced at CERN Large Hadron Collider (LHC) at 13 TeV centre-of-mass energy. Additionally, a prospective study is presented on the longitudinal scattering in the same channel at High-Luminosity (HL) and High-Energy LHC (HE-LHC) conditions, corresponding to 14 and 27 TeV centre-of-mass energy, respectively, with full event kinematics simulated.Although this channel is characterised by a fully reconstructable final state, the small cross section of EW signal compared to the QCD-induced background makes it challenging to measure. Efficient identification of final state leptons is essential since efficiencies on their measurement enter the analysis with a power of four. Measurement of electron selection efficiencies and derivation of scale factors for 2016, 2017 and 2018 data-taking periods was performed. Electron identification is done at CMS using the multivariate approach with a multivariate classifier retrained, for all three periods, using the ExtremeGradient Boost software and with electron isolation included in the training. Uncertainties on both electron selection efficiencies and scale factors were reduced across the pT spectrum with special care towards reducing the uncertainties at low pT.The EW signal was extracted at 13 TeV using the Matrix Element Likelihood Approach (MELA) and the performance was cross-checked with the boosted decision tree (BDT) classifier. The EW production of two jets in association with two Z bosons was measured with an observed (expected) significance of 4.0 (3.5) standard deviations. The cross sections for the EW production were measured in three fiducial volumes and is 〖0.33〗_(-0.10)^(+0.11) (stat)_(-0.03)^(+0.04) (syst)fb in the most inclusive volume, in agreement with the Standard Model (SM) prediction of 0.275±0.021 fb. Limits on the anomalous quartic gauge couplings were derived in terms of EFT operators T0, T1, T2, T8, and T9.The extraction of the longitudinal component of the Z bosons at the HL- and HE-LHC was performed using two multivariate approaches. A combined-background BDT was trained to separate the Z_L Z_L signal from the mixture of Z_L Z_T, Z_T Z_T and QCD-induced backgrounds. In addition, a more complex approach, referred to as the 2D BDT, was designed to increase signal sensitivity. Two BDTs were trained simultaneously to separate the Z_L Z_L signal from the QCD-induced backgrounds and the Z_L Z_L signal from the mixture of Z_L Z_T and Z_T Z_T backgrounds. The effect on signal significance when increasing electron acceptance from |η|=3 to |η|=4 was studied as well. With an increased electron acceptance, the longitudinal component is expected to be measured with a significance of 1.4 standard deviations at 14 TeV and with an integrated luminosity of 3000 fb-1. A measurement of the longitudinal scattering in the ZZ channel is expected at 27 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 15 000 fb-1, with a signal significance of 4.6 standard deviations. With the extended electron acceptance, the first observation is expected with a significance of 5.4 standard deviations. Hence, this study demonstrates a significant benefit of further energy increase at the LHC for understanding the EW sector of the SM.
L’étude de la diffusion de bosons de jauge (VBS) est déterminante pour la compréhension de la brisure de la symétrie électrofaible (EWSB) et fournit un moyen complémentaire pour mesurer les couplages du boson de Higgs aux bosons vecteurs. De plus, dans le cadre des théories de champs effectives (EFT), on peut sonder la physique au-delà du modèle standard à travers des modifications de certains couplages quartiques. Cette thèse présente la première indication, avec le détecteur CMS, d’une production électrofaible (EW) d’une paire de bosons Z se désintégrant de façon leptonique et accompagné par deux jets hadroniques dans une topologie VBS. L’étude analyse 137fb-1 de collisions proton-proton produites au grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN à une énergie de 13 TeV dans le centre de masse. Une étude prospective pour la diffusion longitudinale est aussi présentée dans le même canal au HL-LHC et au HE-LHC, correspondant à des énergies de 14 et 27 TeV dans le centre de masse respectivement, avec une simulation complète de la cinématique des événements.Bien que ce canal soit caractérisé par un état final complètement reconstructible, la faible section efficace du signal EW comparativement au bruit de fond induit par la production QCD le rend difficile à mesurer. Une identification efficace des leptons est essentielle puisque l’efficacité de leur mesure entre à la puissance 4 dans l’analyse. La mesure de l‘efficacité de sélection des électrons et l’obtention de facteurs correctifs pour les périodes de prises de données 2016, 2017 et 2018 a été réalisée. L’identification des électrons (ID) est faite dans CMS au moyen d’une méthode multivariée, avec le logiciel ExtremeGradient Boost, et les variables d’isolation sont incluses dans l’entrainement. Les incertitudes dur les efficacités et les facteurs correctifs sont réduites et une attention spéciale est portée à basse impulsion transverse.Le signal EW est extrait a 13 TeV avec une approche d’éléments de matrice (MELA) et la performance obtenue est vérifiée avec une classificateur basé sur des arbres de décision boostés (BDT). La production EW de deux jets en association avec deux bosons Z est mesurée avec une significance observée (attendue) de 4.0 (3.5) déviations standards. La section efficace est mesurée dans trois régions fiducielles et est 〖0.33〗_(-0.10)^(+0.11) (stat)_(-0.03)^(+0.04) (syst)fb dans la région la plus inclusive, en accord avec la prédiction du SM de 0.275±0.021 fb. Des limites sur les couplages anormaux sont établies en termes des opérateurs effectifs T0, T1, T2, T8, et T9.Deux approches multivariées sont utilisées pour l’extraction de la composante longitudinale des bosons Z au HL- et au HE-LHC. Un premier BDT est entrainé pour séparer le signal Z_L Z_L du mélange des composantes Z_L Z_T, Z_T Z_T et des bruits de fond QCD. De plus, une approche plus complexe, le 2D BDT, est mise en oeuvre pour augmenter la sensibilité. Deux BDTS sont entrainés simultanément pour séparer le signal Z_L Z_L des bruits de fonds QCD et pour séparer le signal Z_L Z_L du mélange Z_L Z_T, Z_T Z_T. L’effet sur la significance du signal d’une augmentation de l’acceptance de |η|=3 à |η|=4 est également étudié. Avec une acceptance étendue, la composante longitudinale est mesurée avec une significance attendue de 1.4 déviations standards à 14 TeV. Une observation de la diffusion longitudinale dans le canal ZZ est attendue à 27 TeV avec une significance de 5.4 sigmas. Néanmoins, ce résultat est obtenu avec l’extension de l’acceptance des électrons. Cette étude montre un bénéfice substantiel d’une augmentation en énergie du LHC pour la compréhension du secteur EW du modèle staandard.

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tel-04106873 , version 1 (25-05-2023)

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Cite

Duje Giljanovic. Study of vector boson scattering in events with four leptons and two jets with the CMS detector at the LHC. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris; Geofizički zavod "Andrija Mohorovičić". Prirodoslovno-matematički fakultet. Sveučilišta u Zagre (Zagreb, Croatie), 2022. English. ⟨NNT : 2022IPPAX137⟩. ⟨tel-04106873⟩
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