Search for the Standard Model Higgs in Tau Decays in Association with a W Boson

Diese Dissertation stellt die Ergebnisse der Suche nach dem Standardmodell-Prozesspp → WH → ντ τh , in dem das Higgs-Boson in Tau-Leptonen zerfällt, wobei einesder Tau-Leptonen hadronisch zerfällt, dar. Die Anwesenheit eines zusätzlichen Leptons aus dem W-Boson-Zerfall führt zu einer starken Reduzierung des Untergrunds indiesem Kanal.Das Higgs-Boson, welches ursprünglich von P. Higgs, F. Englert et al. 1964 vorhergesagt wurde, war lange Zeit das einzig fehlende, vom Standardmodell (SM) vorhergesagte Teilchen und war daher Kern vieler großer Anstrengungen in der experimentellenTeilchenphysik. Suchen nach diesem schwer zu entdeckendem Teilchen am LEP undauch am Tevatron waren erfolglos. Der Large Hadron Collider (LHC) und die beidenHauptexperimente (ATLAS und CMS) wurden hauptsächlich gebaut, um Fortschrittein der Suche nach dem Higgs-Boson zu erzielen.Die Anstrengungen machten sich am 4. Juli 2012 bezahlt, als beide Experimente dieEntdeckung einer Resonanz um 125 GeV in den Spektren der γγ und der ZZ Endzuständebekannt gaben. Obwohl diese Nachricht enthusiastisch aufgenommen wurde, musstenfermionische Zerfälle dieser Resonanz erst noch entdeckt werden. Die Suche nach demZerfallsprozess H → τ τ war der vielversprechendste Kanal um diesen Zerfall zu entdecken und stand im direkten Wettbewerb mit dem Zerfall H → bb, der zwar eingrößeres Verzweigungsverhältnis besitzt, aber dafür auch mit größerem Untergrundzu kämpfen hat.In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die assoziierte Produktion eines HiggsBosons und eines W-Bosons, um möglichst kleine Untergrundprozesse zu haben. DieserEndzustand ist Teil eines größeren Suchprogramms des CMS-Experiments, welches imersten Kapitel dieser Arbeit kurz beschrieben wird.Der Hauptuntergrund in diesem Endzustand setzt sich aus einer Reihe von Prozessen(hauptsächlich Top-Quark- und W-Boson-Produktion zusammen mit Jets) zusammen,in denen mindestens eines der Leptonen im Endzustand aus der Fehlidentifizierungeines Quark- oder Gluonjets stammt. Um diese Untergrundquelle zu modellieren wirdeine datengetriebene Methode entwickelt, die sogenannte k–Nearest Neighbors Classifier verwendet.In dieser Suche wurde der Produktionswirkungsquerschnitt des Higgs-Bosons mit einerThis thesis presents the results of the search for the Standard Model (SM) process pp →WH → ντ τh , where the Higgs boson decays to tau leptons and one of them decayshadronically. The presence of the additional lepton from the decay of the W bosonlargely reduces the backgrounds in this channel.Originally predicted by P. Higgs, F. Englert et al. in 1964, the Higgs boson has beenfor long time the only missing particle predicted by the SM and has been thereforethe target of major efforts in experimental particle physics. Searches for this elusiveparticles have been conducted without any success both at LEP and Tevatron. TheLarge Hadron Collider (LHC) and two major experiments (ATLAS and CMS) have beenbuilt with the main purpose of casting some light in this longstanding mystery.These efforts culminated on July 4th 2012, when both the experiments announced theobservation of a resonance at 125 GeV in the γγ and ZZ spectra combined. While thisannouncement generated a well deserved enthusiasm, fermionic decays of this resonance were still to be observed. The search for the decay process H → τ τ has been themost promising channel to first observe the decay of the SM Higgs boson to fermions,as the other main competitor, H → bb, has larger branching fraction but much higherbackgrounds.In this work we focus on the associated production of a Higgs boson and a W bosonas a low-background environment to observe such decay. This final state is part of awider H → τ τ search program performed by CMS which is briefly outlined in the firstchapter of this work.The main source of background in this final state comes from a wide range of processes (mainly top quark production and W boson production in association with jets)in which at least one of the leptons in the final state comes from a misidentified quarkor gluon jet. To model this source of backgrounds a fully data-driven method is developed.The search observes a combined signal strength of µ = −2.6 ± 1.7, below the SM expectations but still compatible with it at 2.1 σ level. This result has been combined withthe other searches for Higgs decays into tau pairs performed at the CMS experiment,leading to the first observation of such process.