Role of supersymmetric heavy Higgs boson production in the self-coupling measurement of 125 GeV Higgs boson at the LHC

Measurement of the self-coupling of the 125 GeV Higgs boson is one of the most crucial tasks for a high luminosity run of the LHC, and it can only be measured in the di-Higgs final state. In the minimal supersymmetric standard model, heavy CP even Higgs (H) can decay into a lighter 125 GeV Higgs boson (h) and, therefore, can influence the rate of di-Higgs production. We investigate the role of single H production in the context of measuring the self-coupling of h. We have found that the H -> hh decay can change the value of Higgs (h) self-coupling substantially, in a low tan beta regime where the mass of the heavy Higgs boson lies between 250 and 600 GeV and, depending on the parameter space, it may be seen as an enhancement of the self-coupling of the 125 GeV Higgs boson.

Invisible decays of the heavier Higgs boson in the minimal supersymmetric standard model

We consider the possibility that the heavier CP-even Higgs boson (H-0) in the minimal supersymmetric standard model (MSSM) decays invisibly into neutralinos in the light of the recent discovery of the 126 GeV resonance at the CERN Large Hadron Collider (LHC). For this purpose we consider the minimal supersymmetric standard model with universal, nonuniversal and arbitrary boundary conditions on the supersymmetry breaking gaugino mass parameters at the grand unified scale. Typically, scenarios with universal and nonuniversal gaugino masses do not allow invisible decays of the lightest Higgs boson (h(0)), which is identified with the 126 GeV resonance, into the lightest neutralinos in the MSSM. With arbitrary gaugino masses at the grand unified scale, such an invisible decay is possible. The second lightest Higgs boson can decay into various invisible final states for a considerable region of the MSSM parameter space with arbitrary gaugino masses as well as with the gaugino masses restricted by universal and nonuniversal boundary conditions at the grand unified scale. The possibility of the second lightest Higgs boson of the MSSM decaying into invisible channels is more likely for arbitrary gaugino masses at the grand unified scale. The heavier Higgs boson decay into lighter particles leads to the intriguing possibility that the entire Higgs boson spectrum of the MSSM may be visible at the LHC even if it decays invisibly, during the searches for an extended Higgs boson sector at the LHC. In such a scenario the nonobservation of the extended Higgs sector of the MSSM may carefully be used to rule out regions of the MSSM parameter space at the LHC.

Laboratory-frame observables for probing the top-Higgs boson interaction

We investigate methods to explore the CP nature of the t (t) over barh coupling at the LHC, focusing on associated production of the Higgs boson with a t (t) over bar pair. We first discuss the constraints implied by low-energy observables and by the Higgs-rate information from available LHC data, emphasizing that they cannot provide conclusive evidence on the nature of this coupling. We then investigate kinematic observables that could probe the t (t) over barh coupling directly, in particular, quantities that can be constructed out of just laboratory-frame kinematics. We define one such observable by exploiting the fact that t (t) over bar spin correlations do also carry information about the CP nature of the t (t) over barh coupling. Finally, we introduce a CP-odd quantity and a related asymmetry, able to probe CP violation in the t (t) over barh coupling and likewise, constructed out of laboratory-frame momenta only.

Status of the MSSM Higgs sector using global analysis and direct search bounds, and future prospects at the High Luminosity LHC

In this paper, we search for the regions of the phenomenological minimal supersymmetric standard model (pMSSM) parameter space where one can expect to have moderate Higgs mixing angle (alpha) with relatively light (up to 600 GeV) additional Higgses after satisfying the current LHC data. We perform a global fit analysis using most updated data (till December 2014) from the LHC and Tevatron experiments. The constraints coming from the precision measurements of the rare b-decays B-s -> mu(+)mu(-) and b -> s gamma are also considered. We find that low M-A(less than or similar to 350) and high tan beta(greater than or similar to 25) regions are disfavored by the combined effect of the global analysis and flavor data. However, regions with Higgs mixing angle alpha similar to 0.1-0.8 are still allowed by the current data. We then study the existing direct search bounds on the heavy scalar/pseudoscalar (H/A) and charged Higgs boson (H-+/-) masses and branchings at the LHC. It has been found that regions with low to moderate values of tan beta with light additional Higgses (mass <= 600 GeV) are unconstrained by the data, while the regions with tan beta > 20 are excluded considering the direct search bounds by the LHC-8 data. The possibility to probe the region with tan beta <= 20 at the high luminosity run of LHC are also discussed, giving special attention to the H -> hh, H/A -> t (t) over bar and H/A -> tau(+)tau(-) decay modes.

Bulk Randall-Sundrum models, electroweak precision tests, and the 125 GeV Higgs

We present up-to-date electroweak fits of various Randall-Sundrum (RS) models. We consider the bulk RS, deformed RS, and the custodial RS models. For the bulk RS case we find the lightest Kaluza-Klein (KK) mode of the gauge boson to be similar to 8 TeV, while for the custodial case it is similar to 3 TeV. The deformed model is the least fine-tuned of all which can give a good fit for KK masses < 2 TeV depending on the choice of the model parameters. We also comment on the fine-tuning in each case.

A study of W boson properties with four-jet W^+W^- events at LEP

In this thesis I present a study of W pair production in e⁺e^- annihilation using fully hadronic W⁺W^- events. Data collected by the L3 detector at LEP in 1996-1998, at collision center-of-mass energies between 161 and 189 GeV, was used in my analysis.

Analysis of the total and differential W⁺W^- cross sections with the resulting sample of 1,932 W⁺W^- → qqqq event candidates allowed me to make precision measurements of a number of properties of the W boson. I combined my measurements with those using other W⁺W^- final states to obtain stringent constraints on the W boson's couplings to fermions, other gauge bosons, and scalar Higgs field by measuring the total e⁺e^- → W⁺W^- cross section and its energy dependence

σ(e⁺e^- → W⁺W^-) =

{2.68^+0.98_-0.67(stat.)± 0.14(syst.) pb, √s = 161.34 GeV

{12.04^+1.38_-1.29(stat.)± 0.23(syst.) pb, √s = 172.13 GeV

{16.45 ± 0.67(stat.) ± 0.26(syst.) pb, √s = 182.68 GeV

{16.28 ± 0.38(stat.) ± 0.26(syst.) pb, √s = 188.64 GeV

the fraction of W bosons decaying into hadrons

invisible non-SM width of the W boson

the mass of the W boson

the total width of the W boson

the anomalous triple gauge boson couplings of the W

Δg^Z₁ = 0.16^+0.13_-0.20(stat.) ± 0.11(syst.)

Δk_γ = 0.26^+0.24_-0.33(stat.) ± 0.16(syst.)

λ_γ = 0.18^+0.13_-0.20(stat.) ± 0.11(syst.)

No significant deviations from Standard Model predictions were found in any of the measurements.

Extraction of CP Properties of the H(125) Boson Discovered in Proton-Proton Collisions at sqrt(s) = 7 and 8 TeV with the CMS Detector at the LHC

In this thesis we build a novel analysis framework to perform the direct extraction of all possible effective Higgs boson couplings to the neutral electroweak gauge bosons in the H → ZZ^(*) → 4l channel also referred to as the golden channel. We use analytic expressions of the full decay differential cross sections for the H → VV' → 4l process, and the dominant irreducible standard model qq ̄ → 4l background where 4l = 2e2μ,4e,4μ. Detector effects are included through an explicit convolution of these analytic expressions with transfer functions that model the detector responses as well as acceptance and efficiency effects. Using the full set of decay observables, we construct an unbinned 8-dimensional detector level likelihood function which is con- tinuous in the effective couplings, and includes systematics. All potential anomalous couplings of HVV' where V = Z,γ are considered, allowing for general CP even/odd admixtures and any possible phases. We measure the CP-odd mixing between the tree-level HZZ coupling and higher order CP-odd couplings to be compatible with zero, and in the range [−0.40, 0.43], and the mixing between HZZ tree-level coupling and higher order CP -even coupling to be in the ranges [−0.66, −0.57] ∪ [−0.15, 1.00]; namely compatible with a standard model Higgs. We discuss the expected precision in determining the various HVV' couplings in future LHC runs. A powerful and at first glance surprising prediction of the analysis is that with 100-400 fb^-1, the golden channel will be able to start probing the couplings of the Higgs boson to diphotons in the 4l channel. We discuss the implications and further optimization of the methods for the next LHC runs.

Procura do bóson de Higgs no canal de decaimento H → W+ W- →+ν-ν utilizando a técnica de elemento de matriz no experimento CMS do CERN

Nesta dissertação apresento as atividades que foram desenvolvidas durante o período de mestrado, que teve como objetivo o desenvolvimento da Técnica de Análise de dados através do Método de Elemento de Matriz (ME) para procura do Bóson de Higgs no experimento CMS. A proposta foi utilizar uma técnica de análise de dados relativamente nova, conhecida como Método do Elemento de Matriz (ME). Esta técnica foi desenvolvida e utilizada recentemente para aplicação na física do quark top nos experimentos D0 e CDF do Tevatron (FERMILAB). Entretanto, ainda não existem estudos envolvendo a aplicação da mesma para a física do Higgs no LHC. O método de ME foi aplicado na procura do Higgs no canal de decaimento H → W+ W- →+ν-ν, qual os estudos atuais apontam como sendo um dos canais com maior potencial de descoberta, principalmente nesta fase inicial em que a estatística ainda será muito limitada.

Obtenção de um limite para a largura do bóson de Higgs no experimento CMS via H→ ZZ → (4e, 4, 2e2)

Apresenta-se neste trabalho um estudo sobre a largura de decaimento total do bóson de Higgs através do canal H→ ZZ → (4e, 4, 2e2). Segundo o Modelo Padrão da Física de Partículas Elementares, um bóson de Higgs com massa de 126 GeV deve ter uma largura de decaimento total ΓH = 4.15 MeV, muito abaixo da resoluções dos experimentos instalados no LHC. Isto impede uma medida direta sobre os eventos da ressonância. Recentemente foi proposto limitar ΓH a partir da relação entre a taxa de eventos observados na região da ressonância e na região off-shell. Utilizando o pacote de análise desenvolvido pela colaboração CMS obteve-se um limite de ΓH < 31.46(12.82) MeV em 95(68.3)% CL combinando os dados coletados pelo LHC em colisões pp em √s = 7 TeV (5.1fb-1) e em √s = 8 TeV (19.7fb -1).

Phase transition to color-flavor-locked matter and condensation of Goldstone bosons in neutron star matter

Deconfinement phase transition and condensation of Goldstone bosons in neutron star matter are investigated in a chiral hadronic model (also referred as to the FST model) for the hadronic phase (HP) and in the color-flavor-locked (CFL) quark model for the deconfined quark phase. It is shown that the hadronic-CFL mixed phase (MP) exists in the center of neutron stars with a small bag constant, while the CFL quark matter cannot appear in neutron stars when a large bag constant is taken. Color superconductivity softens the equation of state (EOS) and decreases the maximum mass of neutron stars compared with the unpaired quark matter. The K-0 condensation in the CFL phase has no remarkable contribution to the EOS and properties of neutron star matter. The EOS and the properties of neutron star matter are sensitive to the bag constant B, the strange quark mass m(s) and the color superconducting gap Delta. Increasing B and m(s) or decreasing Delta can stiffen the EOS which results in the larger maximum masses of neutron stars.

Phase diagram of spin-1 bosons on one-dimensional lattices

Spinor Bose condensates loaded in optical lattices have a rich phase diagram characterized by different magnetic order. Here we apply the density matrix renormalization group to accurately determine the phase diagram for spin-1 bosons loaded on a one-dimensional lattice. The Mott lobes present an even or odd asymmetry associated to the boson filling. We show that for odd fillings the insulating phase is always in a dimerized state. The results obtained in this work are also relevant for the determination of the ground state phase diagram of the S=1 Heisenberg model with biquadratic interaction.

Low-energy behavior of strongly interacting bosons on a flat-band lattice above the critical filling factor

Bosons interacting repulsively on a lattice with a flat lowest band energy dispersion may, at sufficiently small filling factors, enter into a Wigner-crystal-like phase. This phase is a consequence of the dispersionless nature of the system, which in turn implies the occurrence of single-particle localized eigenstates. We investigate one of these systems-the sawtooth lattice-filled with strongly repulsive bosons at filling factors infinitesimally above the critical point where the crystal phase is no longer the ground state. We find, in the hard-core limit, that the crystal retains its structure in all but one of its cells, where it is broken. The broken cell corresponds to an exotic kind of repulsively bound state, which becomes delocalized. We investigate the excitation spectrum of the system analytically and find that the bound state behaves as a single particle hopping on an effective lattice with reduced periodicity, and is therefore gapless. Thus, the addition of a single particle to a flat-band system at critical filling is found to be enough to make kinetic behavior manifest.

Étude des transitions de phases dans le modèle de Higgs abélien en (2+1) dimensions et l'effet du terme de Chern-Simons

Nous avons investigué, via les simulations de Monte Carlo, les propriétés non-perturbatives du modèle de Higgs abélien en 2+1 dimensions sans et avec le terme de Chern-Simons dans la phase de symétrie brisée, en termes de ses excitations topologiques: vortex et anti-vortex. Le but du présent travail est de rechercher les phases possibles du système dans ce secteur et d'étudier l'effet du terme de Chern-Simons sur le potentiel de confinement induit par les charges externes trouvé par Samuel. Nous avons formulé une description sur réseau du modèle effectif en utilisant une tesselation tétraédrique de l'espace tridimensionnel Euclidien pour générer des boucles de vortex fermées. En présence du terme de Chern-Simons, dans une configuration donnée, nous avons formulé et calculé le nombre d'enlacement entre les différentes boucles de vortex fermées. Nous avons analysé les propriétés du vide et calculé les valeurs moyennes de la boucle de Wilson, de la boucle de Polyakov à différentes températures et de la boucle de 't Hooft en présence du terme de Chern-Simons. En absence du terme de Chern-Simons, en variant la masse des boucles de vortex, nous avons trouvé deux phases distinctes dans le secteur de la symétrie brisée, la phase de Higgs habituelle et une autre phase caractérisée par l'apparition de boucles infinies. D'autre part, nous avons trouvé que la force entre les charges externes est écrantée correpondant à la loi périmètre pour la boucle de Wilson impliquant qu'il n'y a pas de confinement. Cependant, après la transition, nous avons trouvé qu'il existe toujours une portion de charges externes écrantée, mais qu'après une charge critique, l'énergie libre diverge. En présence du terme de Chern-Simons, et dans la limite de constante de couplage faible de Chern-Simons nous avons trouvé que les comportements de la boucle de Wilson et de la boucle de 't Hooft ne changent pas correspondants à une loi périmètre, impliquant qu'il n'y a pas de confinement. De plus, le terme de Chern-Simons ne contribue pas à la boucle de Wilson.

The Search for New Resonances in Strong Symmetry Breaking Scenarios with the ATLAS Detector

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances.

Énergie des vortex dans un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions avec un potentiel d’ordre six

Dans ce travail, j’étudierai principalement un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions, dans lequel un champ scalaire interagit avec un champ de jauge. Des défauts topologiques, nommés vortex, sont créés lorsque le potentiel possède un minimum brisant spontanément la symétrie U(1). En 3+1 dimensions, ces vortex deviennent des défauts à une dimension. Ils ap- paraissent par exemple en matière condensée dans les supraconducteurs de type II comme des lignes de flux magnétique. J’analyserai comment l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle et en particulier du nombre d’enroulement du vortex. Pour le choix habituel de potentiel (un poly- nôme quartique dit « BPS »), la relation entre les masses des deux champs mène à deux types de comportements : type I si la masse du champ de jauge est plus grande que celle du champ sca- laire et type II inversement. Selon le cas, la dépendance de l’énergie au nombre d’enroulement, n, indiquera si les vortex auront tendance à s’attirer ou à se repousser, respectivement. Lorsque le flux emprisonné est grand, les vortex présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. Le potentiel, un polynôme d’ordre six (« non-BPS »), est choisi tel que le centre du vortex se trouve dans le vrai vide (minimum absolu du potentiel) alors qu’à l’infini le champ scalaire se retrouve dans le faux vide (minimum relatif du potentiel). Le taux de désintégration a déjà été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste d’abord à établir l’existence de vortex classi- quement stables de façon numérique. Puis, ma contribution fut une analyse des paramètres du modèle révélant le comportement énergétique de ceux-ci en fonction du nombre d’enroulement. Ce comportement s’avèrera être différent du cas « BPS » : le ratio des masses ne réussit pas à décrire le comportement observé numériquement.