Search for Higgs boson production in association with a single top quark and constraints on the H+b-jets background in the H → γγ decay channel at the ATLAS experiment

Abstract

In this thesis, the production of a single top quark in association with a Higgs boson (tH) is studied at √s = 13 TeV in the H → γγ decay channel at the ATLAS experiment. Similar to the production of a Higgs boson in association with a top-antitop quark pair (ttH), tH production allows for a direct measurement of the Yukawa coupling, Yt, of the top quark. Due to a destructive interference in tH production, it also provides sensitivity to negative values of the coupling strength modifier κt = Yt/Yt,SM, which describes deviations from the Standard Model (SM) expectation Yt,SM. For the first time at the ATLAS experiment, dedicated tH categories are included in the measurement of top-quark-associated Higgs boson production in the H → γγ channel, using 36.1/fb of data. The measured signal strength for ttH+tH production agrees with the SM expectation and no hint for a negative sign of κt was found. An important background for hadronic ttH and tH final states in the H → γγ channel is the production of a Higgs boson in association with additional b-jets (H+b-jets). This background is associated with a large systematic uncertainty, as the accuracy of the prediction from Monte Carlo (MC) simulations is not known. A measurement of the differential cross section of the number of b-jets, Nb-jets, for inclusive Higgs boson production in the H → γγ decay channel using 79.8/fb of ATLAS data is presented. The measured cross section for Nb-jets = 1, with the dominant contribution resulting from H+b-jets production, is in agreement with the MC expectation within the uncertainties. Additionally, an approach to improve the sensitivity to H+b-jets is presented, which is based on multivariate analysis techniques to discriminate between H+b-jets and the non-resonant background.

In dieser Dissertation wird die Produktion eines einzelnen Top-Quarks in Verbindung mit einem Higgs-Boson (tH) im H → γγ-Zerfallskanal bei √s = 13 TeV am ATLAS-Experiment untersucht. Neben der Produktion eines Higgs-Bosons in Verbindung mit einem Top-Quark-Paar (ttH) ermöglicht die tH-Produktion eine direkte Messung der Yukawa-Kopplung des Top-Quarks Yt. Aufgrund einer destruktiven Interferenz in der tH-Produktion ist dieser Prozess zusätzlich sensitiv auf negative Werte des Kopplungsstärken-Modifikators κt = Yt/Yt,SM, welcher Abweichungen vom erwarteten Wert im Standardmodell (SM) Yt,SM beschreibt. In der hier vorgestellten Messung der ttH+tH-Produktion im H → γγ-Kanal mit einem Datensatz von 36.1/fb wurden am ATLAS-Experiment erstmals optimierte tH-Kategorien berücksichtigt. Die gemessene Signalstärke für die ttH+tH-Produktion stimmt mit der SM-Erwartung überein und es wurde kein Hinweis auf ein negatives Vorzeichen von κt gefunden.

Die Produktion eines Higgs-Bosons in Verbindung mit zusätzlichen b-jets (H+b-jets) ist ein wichtiger Untergrund für hadronische tH- und ttH-Endzustände. Dieser Untergrund ist mit einer großen systematischen Unsicherheit verbunden, da nicht bekannt ist wie zutreffend die Vorhersagen aus Monte-Carlo-Simulationen sind. Eine Messung des differentiellen Wirkungsquerschnittes (WQ) der Anzahl von b-jets, Nb-jets, für inklusive Higgs-Boson-Produktion im H → γγ-Zerfallskanal mit einem Datensatz von 79.8/fb wird präsentiert. Der dominante Beitrag für Ereignisse mit Nb-jets = 1 resultiert dabei aus der H+b-jets-Produktion. Der gemessene WQ für Nb-jets = 1 stimmt innerhalb der Unsicherheiten mit der Monte-Carlo-Vorhersage überein. Zusätzlich wird ein Ansatz zur Erhöhung der Sensitivität auf H+b-jets präsentiert, der auf einer Trennung von H+b-jets und dem nicht-resonanten Untergrund mittels multivariater Analysemethoden basiert.