Search for boosted di-Higgs boson production in the 4b final state with the ATLAS experiment
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Resumen
Esta tesis presenta estudios sobre la producción de pares de bosones de Higgs en el estado final $b\bar b b\bar b$ con el experimento ATLAS, centrándose en topologías de eventos \emph{boosted} en las que cada desintegración $H\to b\bar b$ se reconstruye como un único jet de gran radio. El trabajo se desarrolla en dos direcciones complementarias. En primer lugar, se extrapola una estrategia de análisis \emph{boosted} de vector-boson fusion (VBF) de Run~2 a las condiciones del LHC de alta luminosidad, con el fin de cuantificar la sensibilidad esperada a desviaciones en las interacciones del sector de Higgs, haciendo hincapié en el papel de las incertidumbres experimentales y de modelización. En segundo lugar, se desarrolla un enfoque multivariante para \emph{boosted} gluon-gluon fusion (ggF) $HH\to 4b$ mediante el entrenamiento y la validación de un clasificador \emph{boosted decision tree} (BDT) para la discriminación entre señal y fondo, y se cuantifica la mejora alcanzada al usar la salida del clasificador como variable de ajuste dentro de un esquema de inferencia basado en plantillas.
Para el estudio de proyecciones, el escenario de referencia asume $\sqrt{s}=14~\mathrm{TeV}$ y una luminosidad integrada de $3000~\mathrm{fb}^{-1}$ en una topología \emph{boosted} de VBF con cinemática de \emph{forward jets} y \emph{heavy-flavour tagging}. Las restricciones esperadas sobre el modificador del acoplamiento cuártico $VV\PH\PH$ son $\kappa_{2V}\in[0.75,\,1.27]$ al $95\%$ de nivel de confianza y $\kappa_{2V}\in[0.84,\,1.19]$ al $68\%$ de nivel de confianza. Los resultados ilustran la transición de un régimen dominado por la estadística a otro dominado por las sistemáticas, en el que la mejora con la luminosidad se aparta de un escalamiento simple $1/\sqrt{L}$. El estudio identifica el rendimiento del \emph{heavy-flavour tagging} y las incertidumbres \emph{data-driven} asociadas a la forma de las distribuciones de fondo como los factores dominantes que determinan la sensibilidad alcanzable.
Para el estudio multivariante, el BDT se entrena utilizando observables cinemáticos y de subestructura de jet de los candidatos a Higgs y del sistema di-Higgs, y se valida mediante validación cruzada de cuatro pliegues. El clasificador muestra un rendimiento estable entre pliegues, con valores del área bajo la curva entre $0.73$ y $0.78$, y con dependencias de variables físicamente interpretables. En una configuración exclusivamente estadística, el límite superior mediano esperado al $95\%$ de nivel de confianza sobre la intensidad de señal de ggF disminuye de $\mu=8.6$ (ajuste en $m_{HH}$) a $\mu=7.0$ (ajuste en la puntuación del BDT), lo que corresponde a una mejora de aproximadamente un $20\%$ en el alcance esperado. En conjunto, estos estudios proporcionan una imagen coherente de cómo se pueden mejorar las búsquedas \emph{boosted} $HH\to 4b$ al combinar estrategias robustas de extrapolación para futuros conjuntos de datos con técnicas multivariantes validadas para la supresión de fondo. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
This thesis presents studies of Higgs boson pair production in the $b\bar b b\bar b$ final state with the ATLAS experiment, focusing on boosted event topologies where each $H\to b\bar b$ decay is reconstructed as a single large radius jet. The work is developed along two complementary directions. First, a Run 2 boosted vector boson fusion (VBF) analysis strategy is extrapolated to High Luminosity LHC conditions in order to quantify the expected sensitivity to deviations in Higgs sector interactions, with emphasis on the role of experimental and modelling uncertainties. Second, a multivariate approach is developed for boosted gluon-gluon fusion (ggF) $HH\to 4b$ by training and validating a boosted decision tree (BDT) classifier for signal background discrimination and by assessing the gain obtained when the classifier output is used as the fitted observable in a template-based inference workflow.
For the projection study, the baseline scenario assumes $\sqrt{s}=14~\mathrm{TeV}$ and an integrated luminosity of $3000~\mathrm{fb}^{-1}$ in a boosted VBF topology with forward jet kinematics and heavy flavour tagging. The expected constraints on the quartic $VV\PH\PH$ coupling modifier are $\kappa_{2V}\in[0.75,\,1.27]$ at $95\%$ confidence level and $\kappa_{2V}\in[0.84,\,1.19]$ at $68\%$ confidence level. The results illustrate the transition from a statistics-dominated regime to a systematics-dominated regime, where the improvement with luminosity departs from a simple $1/\sqrt{L}$ scaling. The study identifies heavy flavour tagging performance and data-driven background shape uncertainties as dominant drivers of the achievable sensitivity.
For the multivariate study, the BDT is trained using kinematic and jet substructure observables of the Higgs candidates and of the di Higgs system, and validated with a four-fold cross-validation. The classifier exhibits stable performance across folds, with area under the curve values between $0.73$ and $0.78$, and with physically interpretable feature dependencies. In a statistical-only configuration, the median expected $95\%$ confidence level upper limit on the ggF signal strength improves from $\mu=8.6$ when fitting $m_{HH}$ to $\mu=7.0$ when fitting the BDT score, corresponding to an improvement of about $20\%$ in expected reach. Together, these studies provide a coherent picture of how boosted $HH\to 4b$ searches can be advanced by combining robust extrapolation strategies for future datasets with validated multivariate techniques for background suppression.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas