Ricerca del bosone di Higgs in produzione associata col bosone vettore W, nello stato finale $WH ->(\mu\nu) (\tau\tau -> \mu + \tau-jet + 3\nu)$, all'esperimento CMS a LHC

Il Modello Standard (MS) è la teoria scientifica più dibattuta degli ultimi anni nel mondo della fisica delle alte energie. Essa racchiude i fondamenti della materia e descrive le interazioni che regolano l'universo. Il MS è stato confermato in numerosi esperimenti, quali LEP e Tevatron, ma presenta ancora un ultimo interrogativo relativo all'origine della massa delle particelle. Il MS cerca di spiegare ciò tramite il meccanismo di Higgs, proposto da Peter Higgs nel 1964 \cite{Higgs}: viene introdotta una nuova particella, chiamata \emph{bosone di Higgs}, che ha lo scopo tramite il suddetto meccanismo di fornire massa alle particelle. Di tale particella non si conosce la massa, che viene infatti assunta come parametro libero della teoria. Scopo di tale lavoro di tesi è stato quello di studiare presso l'esperimento CMS (\emph{Compact Muon Solenoid}) a LHC (\emph{Large Hadron Collider}) il canale di produzione associata WH, nell'intervallo di massa 115 GeV/$c^{2} \leq m_H \leq $ 135 GeV/$c^{2}$, negli stati finali \[ (W\rightarrow \mu \nu_{\mu})(H \rightarrow \tau \tau \rightarrow \mu + \tau _{jet} + 3\nu ),\] in cui uno dei $\tau$ provenienti dall'Higgs decade in muone e l'altro decade in adroni ($\tau _{jet}$). Visti i risultati di Dicembre 2011 \cite{limiteCMS} , la ricerca del bosone di Higgs è ormai concentrata nell'intervallo a bassa massa. Nonostante in questa regione il processo di produzione dominante sia la \emph{gluon-gluon fusion}, il canale investigato risulta favorito per la presenza del $\mu$ proveniente dal bosone vettore $W$ che viene utilizzato come \emph{trigger}, in modo tale da ottenere una migliore segnatura dell'evento, grazie alle eccellenti prestazioni dell'esperimento CMS, in particolare delle camere a muoni. Il canale di decadimento scelto è $H \rightarrow \tau \tau$, che, nell'intervallo di massa considerato, ha un BR inferiore al 10\% e viene dopo il decadimento dominante in $b\bar{b}$. La richiesta di tale segnatura è stata dettata dal fatto che il decadimento in $\tau$ favorisce la reiezione del fondo di QCD, che nel caso del decadimento in quark $b$ risulta molto complicato. Anche se questo canale risulta molto interessante, la sua bassa sezione d'urto di produzione (0.75 pb) rende necessario lo studio accurato dei fondi principali, quali i processi \emph{Drell-Yan}, \emph{W+jets}, $t\bar{t}+jets$ e dei fondi irriducibili $WW$, $WZ$ e $ZZ$. Lo scopo principale di tale lavoro di tesi è stato quello di applicare e ottimizzare diversi criteri di selezione sugli oggetti ricostruiti per poter controllare questi fondi. Inoltre sono stati studiati una serie di tagli topologici per poter mantenere un accordo tra i dati reali e le simulazioni Monte Carlo, studiando ad esempio le cariche dei tre leptoni nello stato finale e richiedendo che non ci siano altri oggetti nell'evento. In tale lavoro di tesi è stata analizzata tutta la statistica del 2011 raccolta da CMS, ovvero circa 4.7 fb$^{-1}$. Inoltre per verificare che la selezione applicata fosse coerente con quanto ci si aspettava, sul segnale $WH$ è stata applicata una tecnica di \emph{truth-matching}, in cui sono stati confrontati gli oggetti a livello di verità Monte Carlo e quelli ricostruiti dopo il passaggio nel rivelatore e l'applicazione di algoritmi di ricostruzione. Tale procedura è stata utilizzata per comprendere la purezza del campione di segnale e per migliorare la selezione applicata. Nell'ultima fase ci si è concentrati maggiormente sullo studio dei fondi, utilizzando non le simulazioni Monte Carlo, ma direttamente i dati. \`E stata applicata la tecnica del \emph{fake-rate}: per molte analisi con leptoni nello stato finale una delle più rilevanti sorgenti di fondo è data dalla possibilità che uno o più \emph{jet} vengano scambiati per leptoni. Questi processi non vengono sempre ben descritti da simulazioni Monte Carlo e quindi spesso si preferisce usare dei metodi, cosiddetti \emph{Data - Driven}, in cui vengono utilizzati direttamente i dati per una corretta predizione del fondo. Questo studio ha migliorato l'accordo con i dati reali, ha confermato la correttezza delle richieste effettuate sugli oggetti nello stato finale e ha permesso di valutare l'affidabilità delle simulazioni Monte Carlo.